气体轴承式离心压缩机的控制系统的制作方法

本发明涉及压缩机技术领域，特别是涉及一种气体轴承式离心压缩机的控制系统。

背景技术：

气体轴承和油膜轴承的原理都是一样的，都是高压动压油膜或高压动压气膜轴承设计。高压供油进入到轴承或高压供气进入到轴承，形成稳定的动压油膜或气膜，动压油膜的厚度，止推轴承的油膜面楔形角，径向轴承的油膜环楔形角，轴/轴承的偏心角和偏心率，油膜的刚度和阻尼具有自适应的稳定特性，保证轴系的稳定承载和运行。动压轴承应用于离心压缩机和制冷系统中，由于运行工况的变化导致排气压力和吸气压力波动，变工况偏离设计工况运行；同时由于空调负载的变化，压缩机需要卸载降低转速，变负载偏离设计工况运行；变工况和变负载的运行，产生的轴向径向载荷（针对径向轴承）和轴向载荷（针对止推轴承）处于随时变化中，此时气膜/油膜厚度、油膜/气膜面楔形角、油膜/气膜环楔形角、轴心相对于轴承中心的偏心角和偏心率都会变化，气膜和油膜的刚度和阻尼也会变化，以自动地适应载荷的变化，保持轴系的稳定运行。

为了实现高压动压油膜轴承设计或高压动压气膜轴承设计，确保稳定可靠的轴承的轴向承载力力和径向承载力，在轴承和轴之间形成稳定刚度和阻尼的油膜或者气膜；必须恒定的控制供油压差或者供气压差，必须恒定地控制供气温度和供油温度。

技术实现要素：

本发明针对上述技术问题，克服现有技术的缺点，提供一种气体轴承式离心压缩机的控制系统。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种气体轴承式离心压缩机的控制系统。

采用气体轴承应用于半封闭式或者开启式离心式压缩机系统。图3和图4中采用辅助气体增压引射流量调节阀，图5，图6和图9中采用辅助液体泵增压，图7，图8和图10中采用了既采用了辅助气体增压引射流量调节阀，也采用了辅助液体泵液体增压。

辅助气体增压引射流量调节阀和辅助液体泵增压，每种方式都是用来控制气体轴承的稳定供气压差，它们的使用意义是，当制冷系统的供气压差满足气体轴承的最小供气压差需求时，则辅助气体增压引射流量调节阀保持关闭，辅助液体泵保持关闭；当不满足气体轴承的最小供气压差时，辅助液体泵启动，或辅助气体增压引射流量调节阀开启，以提供额外的增压供气压差。增压引射流量调节阀是从压缩机的高压排气引出一部分的气体，调节阀的不同百分比的开度将改变进入引射器16的气体流量和气体压力，并最终改变气体轴承的供气压差，非耗功元件；液体泵为耗功元件。

在图1和图2中，气体轴承的回气总管110的气体通过压差的方式返回进入到制冷系统的蒸发器，蒸发器上本身设置有压力传感器301，用于控制二级节流膨胀阀5的供液和控制蒸发器的小温差；闪蒸式经济器壳体上本身设置有压力传感器302，用于控制一级节流膨胀阀4的供液和冷凝器的过冷度。301和302是一般制冷系统都会装备的压力传感器，用于制冷系统本身的流量调节控制。所以借用已有的制冷系统配置的压力传感器外，需要额外布置液体泵7的排液端在供液回路106上的压力传感303，布置气体轴承的供气回路107上的压力传感器304。气体轴承的供气压差为，液体泵的扬程为，泵的转速。

(1)

(2)

(3)

(4)

首先，设定气体轴承的最小供气压差，如果供气压差不足时，即，则启动液体泵进行液体加压或者打开气体增压引射流量调节阀进行气体加压，大部分的制冷系统的运行工况下，当实际供气压差大于此供气压差设定值300kpa时，液体泵或者气体增压引射流量调节阀是不需要开启的；当实际供气压差小于此供气压差设定值300kpa时，液体泵或者气体增压引射流量调节阀才需要运行，气体或者液体的增压最终都是提高气体轴承的供气压力。液体泵从停机到启动到最小转速运行，必然会产生供气压力的突变，也必然导致供气流量突然增大从而引起轴承的载荷以及刚度、阻尼等轴承特性会有较大的变化，影响正常的离心压缩机的运行，所以采用变频液体泵或者定频液体泵加内压差调节阀来缓慢的提高供气压力。变频液体泵的原理比较简单，泵的流量与转速的平方成正比，泵的流量和泵的扬程为二次曲线关系，因此随着转速从0逐渐增大，泵的流量和出口压力也逐步增大，这是一个比较平缓的过程，最终的泵的转速和气体轴承的供气压差之间也会是二次曲线的关系。公式（3）为泵的转速和气体轴承的供气压差的关系曲线，需要实际测定不同的转速运行时，气体轴承的供气压差差，通过非线性拟合即可得到公式（3）的各系数，，，不同的液体泵的选型，气体轴承的设计，这个关系式不同的，但是原理和方法是相同的。

然而，气体增压引射流量调节阀从关闭状态0%开度逐步开启的过程是比较平缓的，基本完全可以避免气体轴承的供气压力突变。但是气体增压引射流量调节阀是从制冷系统的压缩机高压排气引出一小部分的高压制冷剂气体，本身是不做功的，因此属于被动调节机构，但是调节比较平稳；液体泵是做功元件，属于主动调节机构，调节过程比较突变，采用变频液体泵会实现更好的稳定调节效果。如果二者相结合，如图7，图8和图10，效果会更好。

公式（4）将气体增压引射流量调节阀的开度和气体轴承的供气压差的关系曲线，需要实际测定不同的调节阀百分比开度（%）时，气体轴承的供气压差，通过非线性拟合即可得到公式（4）的各系数，，，根据调节阀的线性特性和流量特性选型，以及气体轴承的设计，这个关系式不同的，但是原理和方法是相同的。

进一步的，液体泵的开启和关闭：开启液体泵之后，供气压力提高，供气压差也提高时，如果大于最小供气压差设定值之后，直至满足之后才能再次关闭液体泵；同理，如果液体泵关闭之后，最小供气压差会降低，直至满足之后才能再次开启液体泵。采用上行回差和下行回差设定，可以根据试验测定，保证液体泵不会频繁开启和关闭，也保证供气压差稳定在设定的小的区间内，轴承工作稳定。

进一步的，液体泵的开启和关闭和变频控制相关联。

本发明的有益效果是：

（1）本发明中，油槽的压力通过平衡管平衡到低压的蒸发压力侧，通过油泵的作用，将低压的润滑油提升到较高的压力后，实现油膜轴承的供油，供油压差即为供油压力和蒸发压力的差值，这样由于制冷系统的控制目标是保持冷冻水的出水温度稳定，也就是蒸发压力稳定，那么油槽的压力始终比较稳定，不会出现较大的稳定，油泵前的压力较低，整个管路也可以按照低压压力来设计。

附图说明

图1为气体轴承的离心压缩机结构布局图；

图2为气体轴承的离心压缩机结构布局图；

图3为制冷系统的流程图－高压压力液相管路引出液体并带气体增压；

图4为制冷系统的流程图－中压压力液相管路引出液体并气体增压；

图5为制冷系统的流程图－高压压力液相管路引出液体并带液体泵；

图6为制冷系统的流程图－中压压力液相管路引出液体并带液体泵；

图7为制冷系统的流程图－高压压力液相管路引出液体并液体泵和气体增压；

图8为制冷系统的流程图－中压压力液相管路引出液体并液体泵和气体增压；

图9为制冷系统的流程图－低压压力液相管路引出液体并液体泵；

图10为制冷系统的流程图－低压压力液相管路引出液体并液体泵和气体增压；

图11为液体泵启停控制。

其中：1-离心压缩机；2-冷凝器；3-闪蒸式经济器；4-一级节流膨胀阀；5-二级节流膨胀阀；6-蒸发器；7-液体泵；8-叶轮端气体径向轴承；9-非叶轮端气体径向轴承；10-止推轴承；11-反向止推轴承；12-止推套环；13-电机/转子轴组件；14-电机定子；15-叶轮；16-文丘里节流器；17-单向阀；18-气体增压引射流量调节阀；19-叶轮端着陆轴承；20-叶轮端着陆轴承100-排气管路；101-吸气管路；102-冷凝器出口液相管路；103-经济器气相管路104-经济器液相管路；105-气体轴承供液总管106-液体泵排液总管；107-气体轴承供气总管；108-轴承供气分配管路；109-各气体轴承的高压喷嘴供气气孔；110-气体轴承回气总管；111-气体增压引射管路；；112-蒸发器引液管301-蒸发压力传感器；302-中间压力传感器；303-供液压力传感器；304-供气压力传感器。

具体实施方式

本实施例提供的一种气体轴承式离心压缩机的控制系统，图1~图2中，采用气体轴承的半封闭式离心压缩机，气体径向轴承8和9分布于电机转子/轴的跨距两侧。着陆轴承19和20分布于电机转子/轴的跨距两侧内侧，着陆轴承的间隙要略小于气体轴承。尺寸d为着陆轴承的间隙，尺寸d1为气体轴承的间隙，d1>d。叶轮端径向轴承8和非叶轮端气体径向轴承9提供径向承载。气体止推轴承10提供了朝向叶轮端的正向的止推力，当离心压缩机在各种高低压差工况稳定运行时，气体导致的轴系受力方向是朝向非叶轮端的，因此止推轴承10提供了止推力克服此轴系的气体力。反向气体止推轴承11提供了朝向非叶轮端的反向的止推轴承力，当压缩机在小流量大压差工况下，如果发生脱流失速或者喘振时，压缩机的排气压力将会出现周期性的振荡，叶轮出口的排气压力会出现向吸气侧的倒灌，此时压缩机轴系的瞬态气体力将是数倍的朝向叶轮端的反向气体力，因此反向止推轴承11提供了止推力克服此轴系的瞬态气体力。随叶轮轴系高速转动的止推套环12的两侧端面分别面向两侧的止推轴承10和反向止推轴承11。两个轴承之间的平衡保证轴系轴向对中。

在图3和图4中，气体径向轴承8和9，气体止推轴承10和11，它们的高压供气回路如下：从高压的冷凝器出口液相管路102（图3），或者中间压力的经济器液相管路104（图4），引出高压的制冷剂饱和液体或过冷液体（图3），或者中压的制冷剂饱和液体或过冷液体（图4），由于高压和低压的压差的驱动力，使得一小部分的液体通过供液管路102（图3）或者104（图4）进入到气体轴承的供液总路105，制冷剂液体流经文丘里节流器16后会有大量的制冷剂液体闪发气体，未闪发的制冷剂液体和闪发后的制冷剂气体混合后流速提高，压力降低，并高速流经到气体轴承的供气总管107，然后气液混合物被分别分配到各个轴承，径向轴承8和9，止推轴承10和11。气体轴承8-11上的环向和轴向布置有若干个微小的高压喷嘴供气气孔109，高压喷嘴气孔的目的是完全将气液混合物中的剩余的制冷剂液体闪发为气体，最终高压供气到径向轴承环向楔形间隙内，以及止推轴承和止推套环12的面楔形间隙内，形成具有足够刚度和阻尼的高压气膜，形成稳定的气体承载力。

可选的，在图5和图6中，采用气体增压引射气体回路111。从压缩机排气压力侧通过气体增压引射管路111，引出高压气体，通过气体增压引射流量调节阀18调节流量和压力后进入到引射器16，当控制系统检测到供气压差不足时，通过调节阀18可以调节引射泵液的高压气体的流量，引射器16的作用也是通过高压气体的泵液作用，将供液管路105中的液体增压吸入到引射器16中并连通高压气体一起进入到气体轴承的供气回路107，供气回路107的气体和液体的流量以及压力都得到提升，保证气体轴承的供气压差稳定在范围内，通过调节阀18的线性调节作用，可以做到精确的供气压差控制。

可选的，在图7和图8中，可以在气体轴承供液总管105上，设置液体泵7，提高供液压力，液体泵启动时，流经106管路进入到107供气总管；液体泵不启动时，流经旁通管路110进入到107供气总管。单向阀17的目的是保证当液体泵不运行时，制冷剂通过压差流经管路110进入到107；而当液体泵运行时，避免流体倒流。最终地液体泵的目的是必要时提高气体轴承的供气压力，当离心压缩机出现喘振运行，或者突然的载荷变化导致，或者低压差工况运行时，此时仅依靠制冷系统的高低压压差的驱动力，气体轴承的供气压力偏低，承载力偏小时，可以启动液体泵，液体增压后，提供更高的气体轴承的供气压力，提高轴承的承载力。

可选的，图9和图10中，制冷系统带液体泵7和气体增压引射回路111。可以实现更稳定和可靠的气体轴承的供气压差控制和稳定运行。图11中，当采用带液体泵的设计时，可以直接从蒸发器的底部液相区域引出低压的制冷剂液体，并经过液体泵7的液体增压和气体增压引射回路111，将低压的制冷剂提升到较高的制冷剂压力后，实现气体轴承的供气。这种设计类似于高压动压油膜轴承的设计，油槽的压力通过平衡管平衡到低压的蒸发压力侧，通过油泵的作用，将低压的润滑油提升到较高的压力后，实现油膜轴承的供油，供油压差即为供油压力和蒸发压力的差值，这样由于制冷系统的控制目标是保持冷冻水的出水温度稳定，也就是蒸发压力稳定，那么油槽的压力始终比较稳定，不会出现较大的稳定，油泵前的压力较低，整个管路也可以按照低压压力来设计。采用低压液体引射或者泵引液的设计，从控制角度看也会较为稳定。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。