具有延伸行程的可變幾何形狀擴散器及其控制方法
【專利說明】具有延伸行程的可變幾何形狀擴散器及其控制方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求享有2012年11月9日提交的、名稱為“VARIABLE GEOMETRY DIFFUSERHAVING EXTENDED TRAVEL”的美國臨時申請N0.61/724，684的優先權和權益。
技術領域
[0003]本發明涉及離心壓縮機，且更具體地涉及一種改進的可變幾何形狀擴散器機構，其允許在離心壓縮機的包含啟動和停機的完整運行范圍內改進控制。
【背景技術】
[0004]離心壓縮機在多種要求壓縮流體的設備(諸如，深冷器)中是有用的。壓縮機通過使流體經過旋轉的葉輪而運行。葉輪對流體作用以增加流體的壓力。因為葉輪的運行在流動中創建了逆向壓力梯度，所以某些壓縮機設計包含被定位在葉輪出口處的可變幾何形狀擴散器，以在失速(stall)事件期間將流體流動穩定化，從而減輕失速。當制冷劑流動減小、同時跨過葉輪的壓力差被維持時，導致失速。失速不期望地產生了噪聲，導致振動并且降低壓縮機的效率。
[0005]由于失速條件僅在非常小百分比的壓縮機運行時間中存在，因此可變幾何形狀擴散器的運行類似地被限制，以使得磨損和撕裂、載荷以及其它影響擴散器機構的總體壽命完整性的效用(funct1n)被限制。然而，增加可變幾何形狀擴散器機構的使用將顯著地影響擴散器機構的總體可靠性和壽命。
[0006]Nenstiel于2005年3月29日提交的美國專利號6，872，050 (‘050專利)中闡述了一種現行的擴散器設計。該‘050專利公開了一種在壓縮機運行期間被打開和被閉合的可變幾何形狀擴散器，其制造便宜、組裝容易、修理或更換簡便，且響應于初期失速條件提供強制嗤合(positive engagement)用于響應于來自控制器的信號或命令而確定位置。
[0007]‘050專利的可變幾何形狀擴散器設計利用了一個擴散器環，該擴散器環是在第一縮回位置與第二延伸位置之間可移動的，在該第一縮回位置中經過擴散器間隙的流動是無障礙的，而在該第二延伸位置中該擴散器環響應于檢測到失速而延伸到該擴散器間隙中以改變經過該擴散器間隙的流體流動。這是通過延伸該擴散器環大體跨過該擴散器間隙以改變流體流動來實現的。可以通過延伸該擴散器環跨過該擴散器間隙的大約75%來實現該減輕。該擴散器環由驅動環驅動，該驅動環是從對應于該擴散器環的第一縮回位置的第一位置、對應于該擴散器環的第二延伸位置的第二位置、以及在該第一位置與該第二位置之間的任何中間位置可移動的。該第二位置是在該擴散器間隙的大約75%處的使系統穩定以使失速被減輕的延伸位置。該驅動環進而被安裝到支持塊，且驅動環相對于支持塊可旋轉移動，支持塊被安裝到噴嘴基板的背側面。該噴嘴基板被固定到與離心壓縮機的葉輪鄰近的殼體。雖然在壓縮機運行期間，當該擴散器環處于其第二延伸位置時，該可變幾何形狀擴散器設計在改變經過該擴散器間隙的流動方面是有效的，但是在壓縮機停機期間，該擴散器環不足以阻塞流動以阻止壓縮機逆轉和相關聯的瞬態載荷也不足以當該壓縮機從低載荷和低速度斜坡上升到高速度時避免在啟動期間的瞬態浪涌和失速。該可變幾何形狀擴散器的使用由于在總體環面積上的壓力差而在該擴散器環上生成載荷。當該環處于其縮回位置時，壓縮的制冷劑經過該環表面且遇到非常小的載荷。然而，當該環移動到其延伸位置進入該擴散器間隙時，高速度氣體經過該擴散器環的面，產生低壓力區域。在噴嘴基板的凹槽中的較高壓力氣體在該環的背側面上施加力。可以計算在該環上以及在該可變幾何形狀擴散器機構的其余部分上的載荷。它是該環的兩側上的氣體壓力差乘以該環的面積。本發明的可變幾何形狀擴散器包含相對大的擴散器環，其運行必須克服相當大的力，且其在運行中必須承受相當大的力。因此，所述機構是相當大的，且為克服這些力以運行這些機構所要求的能量同樣是相當大的。然而，因為僅在小百分比的壓縮機總體壽命期間內嚙合該可變幾何形狀擴散器，所以該可變幾何形狀擴散器經受的載荷、磨損以及撕裂是可接受的。
[0008]期望增加該可變幾何形狀擴散器環的使用，以使得不僅僅是將其作為失速減輕設備使用。該可變幾何形狀擴散器環不僅可以用于失速減輕設備，而且可以用于容量控制、浪涌控制、改進的下調(turndown)、壓縮機逆轉最小化和壓縮機停機期間的相關聯的瞬態載荷以及用于對啟動瞬態的最小化。由于這樣的可變幾何形狀擴散器的增加的使用，要求改進的設備向整個離心機運行提供期望的控制增強，同時向經受增加的使用的該可變幾何形狀擴散器提供長壽命。
【發明內容】
[0009]本發明提供了一種可變幾何形狀擴散器(VGD)機構。該VGD機構包含擴散器環，該擴散器環如對VGD機構預期的而延伸到減輕失速的擴散器間隙中。然而，與現有技術的VGD機構相比，本發明的VGD機構延伸到該擴散器間隙中更遠，以使得本發明的VGD機構可以被用來控制其他運行效用。因此，該VGD機構可以被用來通過防止在壓縮機停機期間制冷劑氣體反向流動經過該擴散器間隙，來最小化在壓縮機停機期間的壓縮器逆轉以及相關聯的瞬態載荷。因為通過該擴散器環的完全延伸大體阻塞了該擴散器間隙，所以防止了制冷劑氣體的反向流動。該V⑶機構還提供了更好的且更有效的壓縮機下調(turn-down)，減少了在低冷卻容量運行期間將大量熱氣體旁路的需要。在啟動期間，因為該可變幾何形狀擴散器環可以被定位以阻止氣體隨著載荷和葉輪速度增加流動經過該擴散器間隙，所以也可以有效地消除瞬態浪涌和失速，從而減輕了在低速度時由啟動載荷導致的問題。本發明的VGD機構也可以被用于容量控制，以便實現更有效的在低載荷時的下調。
[0010]雖然在某些條件下，在正常運行期間，該擴散器環延伸跨過該擴散器間隙以適應通過該擴散器間隙的減少的氣體流動，但是由于隨著該葉輪在啟動期間關于速度斜坡上升或在停機期間該葉輪的速度降低，該氣體流動被顯著降低，因此在停機和啟動期間該擴散器環必須大體完全延伸跨過該擴散器間隙。該擴散器環的外邊緣包括凸緣，該凸緣當完全延伸跨過該擴散器間隙時大體阻止氣體流動經過該擴散器間隙。該擴散器環上的軸向力是該環的兩側上的壓力差與該環的面積的函數。當該擴散器環被延伸到該擴散器間隙中時，高速度氣體經過該環的外面，產生低壓力區域。在該環的第一側面上的較高壓力氣體提供在該環的第一側面上的力。該環上的整個軸向力是該環的第一側面與該環的對置的第二側面之間的氣體壓力差乘以該環的徑向面面積。可以通過減少該環的面積來使該環上的軸向力最小化。通過減少該環延伸到該擴散器間隙中的徑向寬度，該環上的軸向力與該環的寬度成比例地減小。雖然可以減小該環的寬度(厚度)以降低載荷，但是該環必須足夠厚以適應來自經過該環的流動的增加的徑向力，否則該環將不作用以阻塞氣體有效地流動且會遭受運行故障。該環的厚度將取決于該壓縮器的容量在壓縮器之間變化，該環的厚度是相對的，該關系取決于幾個因素，最重要的是作用在該擴散器環的第一內圓柱形表面上和第二外圓柱形表面上的凈徑向流動力，特別是在停機期間葉輪從運行速度變慢時或在啟動期間葉輪斜坡上升到運行速度時。具有較大葉輪的較大壓縮機將會生成較高的流動力并且經受較高的載荷，要求較厚的環。但是，不管壓縮機的尺寸，減小該環上的軸向力減小了運行該V⑶機構所必須的力。
[0011]該環上的作為結果的軸向載荷最終被傳送到致動器機構。本發明的致動器機構包括的改進允許它在無油環境中運行，盡管其運行并非僅受限于此。該致動器機構還被修改，以使得可以監測該擴散器環相對于殼體的對置的內部面的位置且根據需要通過控制器調整該位置。該相關聯的凸輪軌道機構也被修改，以使得可以在任意時間確定該環在該擴散器間隙中的位置。
[0012]不僅該環必須足夠厚以在該壓縮機的壽命內應付徑向載荷，而且該環還必須與對置的殼體接界，以提供圍繞其圓周的均一的間隙且必須與殼體的內面有效地匹配，該殼體的內表面也必須被限定尺寸為均一。如果該間隙不充分均一，即，在可允許的容差以外，則加壓的氣體將在大于可允許的間隙位置處泄漏通過該間隙，使閉合的擴散器環的目的失效，沒有減少與容量控制、浪涌(它發生在停機和啟動期間)以及與該改進的VGD機構相關聯的運行改進相關的問題。盡管在停機和啟動期間消除在擴散器環周圍的這樣的泄漏不是現有技術設計的強制要求，為了使之有效，本發明的