壓縮機間隙控制的制作方法
【專利摘要】一種壓縮機（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）由安裝成旋轉的軸（70）支撐，以至少在第一條件中被驅動，從而經過抽吸端口（24）吸入流體并從排出端口（26）排出流體。磁軸承系統（66，67，68）支撐軸（70）。控制器（84）聯接到軸向位置傳感器（80）并且構造成控制葉輪位置。
【專利說明】壓縮機間隙控制
[0001]相關申請的交叉引用
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的權益，該專利申請的全部公開內容以參考的方式并入本文中，如同詳盡闡述一樣。
【背景技術】
[0002]本公開涉及壓縮機。更具體地，本公開涉及電馬達驅動的磁軸承壓縮機。
[0003]電馬達驅動壓縮機的一種特定用途是液體制冷機。一種示例性液體制冷機使用密封的離心壓縮機。該示例性單元包括壓縮機、冷卻器單元、制冷機單元、膨脹裝置和各種其它部件的獨立運行的組合。
[0004]一些壓縮機包括介于馬達轉子和葉輪之間的傳動裝置，用于以快于馬達的速度驅動葉輪。在其它壓縮機中，葉輪直接由轉子驅動(例如，葉輪和轉子在相同的軸上)。
[0005]各種軸承系統已被用于支撐壓縮機軸。一種特定類別的壓縮機使用磁軸承(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。可利用機械軸承(所謂的“保護”軸承)來支持這些磁軸承中的每一個。此外，一個或多個其它磁軸承可以構造成抵抗將軸向上游拉的負荷(并且還抵抗相反的負荷)。上游運動收緊葉輪與其護罩之間的間隙，由此面臨損傷的風險。相反的運動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整相關聯的磁場，從而針對給定操作條件的相關聯的徑向和軸向靜負荷而維持徑向和軸向定位并且進一步控制同步振動。
【發明內容】
[0007]因此，本公開的一個方面涉及一種壓縮機，該壓縮機具有殼體組件，該殼體組件具有抽吸端口和排出端口。葉輪由安裝成旋轉的軸支撐，以至少在第一條件中被驅動從而經過抽吸端口吸入流體并從排出端口排出流體。磁軸承系統支撐該軸。控制器聯接到軸向位置傳感器，并且構造成控制葉輪位置以隨著系統容量和升程(lift)中的至少一種而變化。
[0008]在下面的附圖和描述中，說明了一個或多個實施例的細節。從說明書和附圖以及從權利要求將會明白其它特征、目的和優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1是制冷機系統的局部示意圖。
[0010]圖2是制冷機系統的壓縮機的縱剖面圖。
[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，相同的參考數字和標記表示相同的元件。
【具體實施方式】[0014]圖1示出了蒸氣壓縮系統20。示例性的蒸氣壓縮系統20是制冷機系統。系統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22。該系統還包括第一換熱器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)。在一個基于現有制冷機的示例性系統中，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的再冷卻器室經過冷凝器出口的流量。
[0015]系統還包括第二換熱器34 (在正常模式中是吸熱換熱器或蒸發器)。在該示例性的系統中，換熱器34是由管束35形成的制冷劑一水換熱器，用于冷卻制冷機單元36內的經冷卻的水流。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在壓縮機的下游和蒸發器的上游(該流徑部分地被相關聯的管道等包圍)。
[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(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52和葉輪54，葉輪54能夠在第一模式中被電馬達驅動以壓縮流體(制冷劑)，從而經過抽吸端口 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驅動(即，沒有中間的傳動裝置)。
[0018]殼體50限定馬達室60，馬達室60在該室內容納馬達的定子62。馬達的轉子64部分地在定子內并且被安裝成繞轉子軸線500旋轉。該示例性的安裝是經由如下方式進行的:一個或多個電磁軸承系統66、67、68將轉子的軸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單元繞軸線500旋轉。
[0019]示例性的軸承系統66是徑向軸承并且將軸的中部(S卩，在葉輪和馬達之間)安裝到殼體組件。示例性的軸承系統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接到控制器84，該控制器84還控制馬達、軸承的動力供給以及其它壓縮機和系統部件功能。控制器可接收來自輸入裝置(例如，開關、鍵盤等)和其它傳感器(未圖示)的用戶輸入。控制器可以經由控制線(例如，硬連線或無線通信通路)聯接到可控的系統部件(例如，閥門、軸承、壓縮機馬達、翼片致動器等)。控制器可包括以下中的一個或多個:處理器；存儲器(例如，用于儲存程序信息并且用于存儲數據，該程序信息由處理器執行以實施操作方法，該數據由(一個或多個)程序使用或生成)；以及用于與輸入/輸出裝置和可控系統部件聯系的硬件接口裝置(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，反推力軸承被認定為阻止由于葉輪與流體的協作而造成的葉輪的上游運動。推力軸承阻止相反的運動。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還示出了機械軸承74和76,這兩個軸承分別用作徑向的保護軸承(touchdownbearing)從而分別為磁徑向軸承66和67提供機械支持。內座圈具有充當軸向保護軸承的肩部。
[0022]如目前所述，系統和壓縮機可以是許多系統和壓縮機構造中的任一個的代表。傳感器80和82可以是用于控制電磁軸承的現有傳感器。在對基準的這種系統和壓縮機的一個示例性修改中，控制器84的控制例程可用另一例程或模塊進行擴充，該另一例程或模塊利用傳感器80和82中的一個或兩個的輸出來優化運轉間隙。否則，可相對于基準保留硬件。
[0023]在使用開式葉輪的離心壓縮機中，葉輪和護罩之間的運轉間隙是影響壓縮機效率的關鍵特性。減小間隙將提高效率。
[0024]實際的瞬時間隙(運轉間隙)可能難以直接測量。在軸承系統處(例如，在推力套圈處)的測得的葉輪軸向位置可充當非運轉間隙(冷間隙)的替代物。運轉間隙將反映與葉輪和/或軸的變形/偏轉(例如，由于操作力引起的變形/偏轉)等相組合的冷間隙。
[0025]在一個示例性的基準壓縮機中，在組裝期間設定冷間隙以確保將在預期的操作范圍上提供足夠的運轉間隙。在組裝期間，由保護軸承限制的軸的軸向范圍或運動被調整(例如，經由轉子墊補法)到每個范圍內。例如，在一個示例性的500-1000冷卻噸(1750-3500kW)壓縮機中，一個示例性的范圍為0.002-0.020英寸(0.05-0.5毫米)(冷間隙的，如由機械保護軸承決定的)。基準控制算法設法將標稱冷間隙維持在該范圍內。
[0026]然而，可能期望在操作期間改變冷間隙。可能期望在壓縮機正在運行時改變冷間隙以優化性能(例如，使效率最大化)和/或使容量最大化。
[0027]可能期望在部分負荷下比在滿負荷下具有更小的冷間隙。在這種情況下，在負荷范圍上運轉間隙會是相似的。如果將冷間隙設定成在最大負荷下具有足夠的運轉間隙，那么在部分/低負荷下將會存在相對大的運轉間隙。間隙與葉輪和護罩之間的泄漏流量相關聯，該泄漏流量代表損耗。在低負荷下，較大的運轉間隙導致不成比例地大的損失，并且因此導致效率降低。將低負荷下的冷間隙減小到仍然確保足夠的運轉間隙的水平能夠至少部分地減小與泄漏相關聯的相對效率損失。
[0028]控制轉子位置或相關聯的冷間隙以減小運轉間隙也有益于增大經過壓縮機的最大可用流量。經過壓縮機的流量是經過葉輪的流量減去經過間隙的泄漏流量(內部再循環)。經過葉輪的最大流量與葉輪幾何形狀有關。因此，減小運轉間隙會使得泄漏流量減小并且使得經過壓縮機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]磁推力軸承被設計成承載在上述范圍內的軸向負荷。這通過改變在軸承任意側(推力側和反推力側)上的磁場而完成。各種負荷下的所估計的需要的間隙被載入控制軟件中。可以從入口導向翼片位置或者蒸發器水流率和狀態點(壓力和溫度)的測量值來確定該容量。
[0030]動態地或自適應地設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位置。
[0031]示例性的磁軸承基于吸引的原理而工作:勵磁電流越高，吸引力越大。因此，吸引磁推力軸承可定位成與機械推力軸承(例如，充當磁軸承的支持的機械軸承)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”而相對的單元124將會是“非活性側”。葉輪由于氣體力而經受軸向推力，氣體力使葉輪朝向護罩運動并且關閉間隙。通過調整流向推力側和反推力側的電流，可以將間隙調整到所需的位置。
[0032]所施加的電流或電壓和相關聯力之間的特定關系取決于磁路設計。示例性的磁路由鐵疊片和氣隙電感組成。可通過分析性和實驗性分析來確定電流和力之間的關系。可由以下示例性方程來表示該關系:
【權利要求】
1.一種壓縮機(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動，從而經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(66，67，68)，所述磁軸承系統(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)聯接到所述軸向位置傳感器并且構造成控制葉輪位置以隨著系統容量和升程中的至少一種而變化。
2.如權利要求1所述的壓縮機，其中: 通過使用與所述容量和升程中的至少一種相關聯的目標位置或最小冷間隙位置的查找表而得到隨著系統容量和升程中的至少一種的變化。
3.如權利要求1所述的壓縮機，其中: 所述殼體組件還包括 馬達室(60)； 電馬達(52)具有在所述馬達室內的定子(62)和在所述定子內的轉子(64)，所述轉子被安裝成繞轉子軸線(500)旋轉；并且 所述軸將所述葉輪(54)聯接到所述轉子。
4.如權利要求1所述的壓縮機，其中，所述磁軸承系統包括: 第一徑向軸承(66)； 第二徑向軸承(67);以及 推力軸承(68)。
5.如權利要求4所述的壓縮機，其中: 所述推力軸承是推力/反推力軸承。
6.如權利要求1所述的壓縮機，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。
7.如權利要求1所述的壓縮機，其中，所述控制器被編程為控制葉輪位置以隨著系統容量而變化，從而提高效率。
8.如權利要求1所述的壓縮機，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容量而變化: 確定所述葉輪位置； 確定所述系統容量； 確定目標葉輪位置；以及 改變施加到所述磁軸承系統的電流從而將所述葉輪朝向所述目標葉輪位置移動。
9.如權利要求8所述的壓縮機，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.如權利要求9所述的壓縮機，其中: 所述減小達與所述增大相等的幅度。
11.如權利要求1所述的壓縮機，其中:所述壓縮機是單葉輪壓縮機；并且 所述葉輪是單級葉輪。
12.一種蒸氣壓縮系統，包括: 如權利要求1所述的壓縮機； 第一換熱器(28)，所述第一換熱器(28)聯接到所述排出端口，以接收在所述壓縮機的第一操作條件中在下游方向上被驅動的制冷劑； 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利要求1所述的壓縮機的方法，包括: 驅動所述馬達以經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； 確定所述系統容量； 響應于所確定的系統容量而確定所述軸向位置的目標；以及 控制所述磁軸承系統以朝向所述目標控制所述軸向位置。
14.如權利要求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； 所述目標的確定包括在目標間隙相對于容量的第二查找表中查找目標；以及所述控制包括使施加到所述軸承系統的一側的電流發生增量并且使施加到相對側的電流發生減量。
15.如權利要求14所述的方法，其中: 所述增量和減量達與所述目標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.如權利要求13所述的方法，其中: 所述目標位置與目標間隙相關聯； 在包括25-100%容量的操作范圍上，所述目標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，所述目標間隙增大達至少三分之一。
【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 優先權日:2011年7月15日
【發明者】V.M.西什特拉 申請人:開利公司