專利名稱：離心壓縮機的可變管道擴壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及離心壓縮機，特別涉及一種離心壓縮機的擴壓器結(jié)構(gòu)。
當將離心蒸氣壓縮機用于壓縮機負荷在大范圍內(nèi)變化的場合時，所產(chǎn)生的主要問題之一是經(jīng)過壓縮機的流動穩(wěn)定性。壓縮機入口、葉輪和擴壓器通道的尺寸必須設(shè)計得可提供所需的最大容積流動速率。當通過這樣的壓縮機的容積流動速率較低時，流動就不穩(wěn)定。當容積流動速率低出一穩(wěn)定范圍之外時，就進入一輕微不穩(wěn)定的流動范圍。在此范圍內(nèi)，在擴壓器通道里出現(xiàn)部分逆轉(zhuǎn)的流動，從而產(chǎn)生噪音并降低壓縮機的效率。在此范圍以下，壓縮機進入大家熟知的喘振狀態(tài)，此時在擴壓器中有周期性的完全的逆向流動，從而破壞機器的效率，危害機器另件的整體性。由于在壓縮機諸多應(yīng)用中希望有大范圍的容積流動速率，前人提出過大量的修改建議以期改善在低容積流動速率時的流動穩(wěn)定性。
曾有許多方案被提出以在大的操作范圍內(nèi)保持高的機器效率。在美國專利4070123中，在致力于使機器性能與改變負荷要求相配合方面對整個葉輪形狀作了修改以適應(yīng)負荷的改變。在美國專利3362625中公開了可調(diào)的擴壓器限流器，它用于調(diào)節(jié)擴壓器中的流動旨在改善在低容積流動速率時的穩(wěn)定性。
一種用于對一離心機在大的流動范圍內(nèi)保持高的工作效率的普通技術(shù)是，使用可變寬度擴壓器結(jié)合固定的擴壓器導片。
轉(zhuǎn)讓給同一受讓人的美國專利2996996和4378194描述了幾種具可變寬度導片的擴壓器，其中的擴壓器導片是通過螺栓連接被牢固地固定在擴壓器的其中一壁上。這些葉片可穿過在另一壁上形成的諸開孔，從而使擴壓器的幾何尺寸能隨著負荷條件的改變而改變。
將諸多擴壓器葉片固定安裝于其中一壁上的辦法帶來許多問題，尤其是有關(guān)機器的制造、維護和操作方面的問題。在組裝時用來固定葉片的空間太小。當將葉片在修理后重新安裝時，如葉片稍有不對中，就會卡在或擦于相對的壁上。類似地，如順序的一或多個葉片在組裝時必須更換時，一般必須將整個機器拆開以便進行更換。
按照其主要的構(gòu)思并廣義地說，本發(fā)明涉及一種離心壓縮機的可變幾何形狀的管道擴壓器。
按本發(fā)明的可變幾何形狀管道擴壓器(也可稱為分環(huán)管道擴壓器)包括一第一內(nèi)環(huán)和一第二外環(huán)。內(nèi)、外環(huán)具有在它們上形成的互補的入口流動槽部分。也就是說，每一內(nèi)環(huán)的入口流動槽部分均有一形成于外環(huán)上與之互補的入口流動槽部分相對應(yīng)。內(nèi)、外環(huán)可彼此相對旋轉(zhuǎn)。最好是，內(nèi)環(huán)在外環(huán)之內(nèi)沿圓周轉(zhuǎn)動。但是，外環(huán)只能當內(nèi)環(huán)靜止時可繞其在圓周方向轉(zhuǎn)動。
當一環(huán)相對另一環(huán)轉(zhuǎn)動時，兩環(huán)的每對互補的空氣槽部分改變。兩環(huán)可在一打開位置與一第二關(guān)閉位置之間調(diào)節(jié)，其中，在打開位置時兩環(huán)的諸互補的槽部分對齊，使最大量流體通過內(nèi)、外環(huán)，而在關(guān)閉位置時，通過諸槽的流體流動受到限制，并使通過內(nèi)、外環(huán)的諸互補的入口流動槽部分的流體量減少。兩環(huán)也可在打開和關(guān)閉位置之間調(diào)節(jié)到任何數(shù)的中間位置。
在第二關(guān)閉位置時，應(yīng)使在全開位置時的至少10％流量的流體流過擴壓器，以防止對機器的諸組件的過多的熱動力加熱。為避免熱動力加熱，在兩環(huán)件之間的相對轉(zhuǎn)動量要限制到一為進入一第二關(guān)閉位置所需的轉(zhuǎn)動量。換言之，兩環(huán)不要調(diào)節(jié)得完全關(guān)閉兩環(huán)之間的流體流動。兩環(huán)之間的可允許的旋轉(zhuǎn)度由全閉位置時在兩環(huán)之間所需的流量和兩環(huán)件中的諸入口空氣槽的數(shù)量及容積所決定。通過提供一內(nèi)環(huán)，也可防止全部關(guān)閉一入口流動槽，該內(nèi)環(huán)具有諸無槽部分，該部分的寬度小于一外環(huán)流動槽的最小寬度。
通過將可變管道擴壓器朝一關(guān)閉位置調(diào)節(jié)，具有本發(fā)明的擴壓器的一壓縮機的性能曲線上的喘振點被朝一較低流動速率調(diào)節(jié)。由一壓縮機在這低流動速率時產(chǎn)生的壓力大致等于一具有一擴壓器的壓縮機在全開位置時產(chǎn)生的壓力。所以，本發(fā)明特別有助于調(diào)節(jié)壓縮機的特性，使一壓縮機符合一低流動速率、高壓力比狀態(tài)。例如當室內(nèi)與室外環(huán)境溫度的溫差較大，然而系統(tǒng)負荷較低時，需要這樣一種工作狀態(tài)。
通過如上述的對一可變擴壓器的調(diào)節(jié)與對壓縮機的諸入口導片的調(diào)節(jié)的結(jié)合，常能使一壓縮機在一給定的工作狀態(tài)時的效率最佳。
在所有的附圖中的相同的標號表示相同的另件。


圖1是本發(fā)明的具有一可變管道擴壓器的壓縮機的側(cè)剖視圖；圖2是本發(fā)明的可變管道擴壓器的立體圖；圖3和4是表示本發(fā)明的可變管道擴壓器分別在第一打開位置和第二關(guān)閉位置時的情況的正剖視圖；圖5是本發(fā)明的可變管道擴壓器的性能圖；圖6是只具有諸入口導片的壓縮機的性能圖；以及圖7是具有一可變管道擴壓器和諸入口導片的本發(fā)明的壓縮機的性能圖。
現(xiàn)在看圖1。本發(fā)明安裝在一離心壓縮機10上，該壓縮機具有一將制冷劑蒸氣加速到一高速度用的葉輪12、一將制冷劑減速到一低速度而同時使動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ艿臄U壓器14和一排放壓力通風系統(tǒng)，該系統(tǒng)呈一收集器16的形式，用來收集排放的蒸氣后立即送給一冷凝器。葉輪12的動力是由一電動機(未圖示)供給的，該電機在靠壓縮機的另一端是氣密封的，并使一高速軸19旋轉(zhuǎn)。
現(xiàn)在來看在壓縮機10里制冷劑流動的方式。制冷劑進入吸入殼31的入孔29，通過葉片環(huán)組件32和導片33，然后進入壓縮吸入?yún)^(qū)23。該壓縮吸入?yún)^(qū)由內(nèi)側(cè)的葉輪12和外側(cè)的殼34所限定。在壓縮后，制冷劑即流入擴壓器14、收集器16和排放管(未圖示)。
如圖1-3所示，按本發(fā)明的一可變幾何形狀管道擴壓器14包括一第一內(nèi)環(huán)40和一第二外環(huán)42。內(nèi)、外環(huán)上分別形成有互補的流動槽部分44和46。也就是說，內(nèi)環(huán)40上的每個流動槽部分44均有一與之互補于外環(huán)42上形成的槽部分46相對應(yīng)。內(nèi)、外環(huán)40和42彼此相對旋轉(zhuǎn)。最好是，內(nèi)環(huán)40在外環(huán)42之內(nèi)沿圓周旋轉(zhuǎn)。但是，外環(huán)42當內(nèi)環(huán)40靜止時可繞其沿圓周旋轉(zhuǎn)。
當一環(huán)相對另一環(huán)轉(zhuǎn)動時，內(nèi)、外環(huán)的每對互補的入口流動槽的對中性改變了(參閱圖3和4)。環(huán)40和42在一第一打開位置(如圖3所示)與一第二關(guān)閉位置(如圖4所示)之間調(diào)節(jié)。在上述第一打開位置時，諸互補的槽部分是對準的，流過內(nèi)、外環(huán)40和42的流體量最大；而在上述第二關(guān)閉位置時，諸互補的槽不對準，流經(jīng)槽部分44和46的流體量就受限制。
流體在一第二關(guān)閉位置時流經(jīng)擴壓器14的流動速率與打開位置時的流動速率有關(guān)系，它取決于在關(guān)閉位置時擴壓器的流動槽的最小橫截面積與在打開位置時的流動槽的最小橫截面積(由互補的槽部分44和46限定)之比。該最小流動槽面積，通常稱為“喉區(qū)”總的是由擴壓器14在打開位置時的內(nèi)環(huán)槽44的流道52的最小直徑?jīng)Q定的，而當擴壓器14處于第二關(guān)閉位置時，它是由在內(nèi)、外環(huán)40和42之間的間隙處的寬度53所控制的。例如，當在第二關(guān)閉位置時的擴壓器槽的最小面積(喉區(qū))具有1/8英寸的直徑，而在打開位置時的最小面積(喉區(qū))具有1/4英寸的直徑時，則在關(guān)閉位置時流體通過一擴壓器的容積流動速率為約在全開位置時的流動速率的50％。當擴壓器14在第二關(guān)閉位置時流體通過壓縮機10的流動速率一般是當擴壓器處在第一打開位置時的速率的10％至100％之間。
在第二關(guān)閉位置時(圖4)，有在全開位置時的至少約10％容量的流體要流過擴壓器14，使壓縮機10的諸組件免受過多的熱動力加熱。為了避免過多的熱動力加熱，兩環(huán)件之間的相對轉(zhuǎn)動量應(yīng)被限制到為產(chǎn)生一第二關(guān)閉位置所必須的一轉(zhuǎn)動量。換言之，該兩環(huán)不必調(diào)節(jié)到完全關(guān)閉掉兩者之間的流體流動。兩環(huán)之間的許可的轉(zhuǎn)動程度是由在全閉位置時兩環(huán)之間所需的流量、相對于環(huán)件40和42的容積的環(huán)件40和42上的入口流動槽部分44和46的容積以及入口流動槽部分40和42的數(shù)量所決定的。如提供一有一無槽部分的內(nèi)環(huán)40則能避免完全關(guān)閉入口流動槽，該無槽部分的寬度小于外環(huán)槽部分46的最小寬度。
繼續(xù)看圖4。R2是葉輪尖端部的半徑，R3是內(nèi)環(huán)40的半徑，而R4是外環(huán)的半徑。當內(nèi)環(huán)40的厚度T＝R3-R2不大于為截住一所需部分的流過外環(huán)槽46的流體(如50％的流量)所必需的厚度，就能有效地控制通過擴壓器的流體的流動。內(nèi)環(huán)相對于外環(huán)的旋轉(zhuǎn)在發(fā)生任何擴散前將減小擴壓器喉區(qū)面積，從而防止了在擴散后的流動加速。還有，內(nèi)環(huán)厚度T愈小，則流過該部分關(guān)閉可變管道擴壓器的流體的拐角就愈小。上述兩方面的作用會改善在部分負荷工作狀態(tài)下的壓縮機效率。
本發(fā)明的一可變管道擴壓器也可做成使一內(nèi)環(huán)40相對于一外環(huán)42沿軸向移動。這樣的一實施例通常不如上述一對沿圓周可轉(zhuǎn)動的環(huán)的情況更好，這是因為在一對彼此沿軸向相對可移動的擴壓器環(huán)中，90°轉(zhuǎn)角所致的轉(zhuǎn)向損耗(turningloss)較高。提供該對彼此沿軸向可相對移動的環(huán)的情況與在被共同轉(zhuǎn)讓的美國專利4527949、4378194和4219305中描述的類似，這些專利的情況已被本文所引用。
結(jié)合圖5可理解本發(fā)明的操作和使用，該圖表示一具有一已被裝入的、本發(fā)明的可變管道擴壓器的壓縮機的性能圖。該圖5的性能圖包括多條性能曲線，每條曲線相應(yīng)于對在內(nèi)、外環(huán)40和42之間的精細定位情況。每條性能曲線，如“60”，是以一喘振點，如“70”為特征的，該點是最大可達壓力點。當壓縮機在喘振點或喘振點之下以一流動速率工作時，可能會引起喘振狀態(tài)，這在本發(fā)明的背景技術(shù)里已有描述。
為了圖示說明本發(fā)明，曲線60如對應(yīng)于一第一打開位置，曲線62對應(yīng)于一中間的2度關(guān)閉位置，曲線64對應(yīng)于一中間的4度關(guān)閉位置，而曲線68則對應(yīng)于最大的8度關(guān)閉位置。
可看出將環(huán)件40和42向一關(guān)閉位置調(diào)節(jié)，其作用是將一壓縮機的性能曲線上的喘振點，如70、72朝一較低的流動速率調(diào)節(jié)。這樣，通過將擴壓器環(huán)40和42向一關(guān)閉位置調(diào)節(jié)在需要低流速時能避免產(chǎn)生喘振狀態(tài)。
在將一具有一可變擴壓器的壓縮機的性能圖(圖5)與一僅有諸可調(diào)的入口導片的壓縮機的性能曲線7(圖6)比較后，有助于理解本發(fā)明。在圖6中，曲線80、82、84、86和88分別對應(yīng)于在諸逐漸關(guān)閉的位置的諸導片33的精細的定位?？煽闯鲫P(guān)閉諸導片33，如象關(guān)閉擴壓器環(huán)件40和42的作用是降低喘振點流動速率。如此，通過將諸入口導片33向一關(guān)閉位置調(diào)節(jié)常能避免發(fā)生喘振狀態(tài)。
然而，從性能圖6可看出將諸導片33向一關(guān)閉位置調(diào)節(jié)的另一作用在于降低壓縮機10提供的在喘振點的排出壓力。因此，只是調(diào)節(jié)諸導片33就不能滿足要求一較高壓力的低流動速率工作狀態(tài)。
而從性能圖5可看出當擴壓器環(huán)40和42朝一關(guān)閉位置調(diào)節(jié)時，壓縮機10提供的喘振點壓力保持基本穩(wěn)定。因此，通過將擴壓器環(huán)40和42向一關(guān)閉位置調(diào)節(jié)就能滿足要求一低流動速率和高壓縮機壓力的工作狀態(tài)。
當環(huán)境溫度與室內(nèi)溫度之間的溫差較大(如約50°F或更大)，然而在室內(nèi)制冷偶然有輕微的負載的情況下，一種要求低流動速率和相對于滿負荷操作壓力比(例如，滿負荷的90％)的高壓力比的工作狀態(tài)是普遍的。在這種情況下，一較高的壓縮機壓力比(如約2.5以上)是由對應(yīng)于冷凝器的制冷劑飽和壓力和蒸發(fā)溫度所要求的，但僅僅一減小了的流動速率，如滿負荷的25％，是需要用來去除室內(nèi)產(chǎn)生的熱量。圖7表示了一同時具有諸可調(diào)導片和一本發(fā)明的可變管道擴壓器的壓縮機的性能曲線?？煽闯鐾ㄟ^對諸導片的調(diào)節(jié)與對擴壓器環(huán)40和42的調(diào)節(jié)的結(jié)合，能使壓縮機的效率最佳。參閱圖7，其中的虛曲線111、112、113、114、115和116表示一具有一可變的擴壓器的壓縮機在一全開位置對諸入口導片33的許多定位情況下的諸性能曲線，而諸實線101、102、103、104和105表示了一壓縮機在許多導片定位時的性能曲線，該壓縮機具有諸關(guān)閉的(在此，關(guān)閉位置時有40％的最初流動速率)擴壓器環(huán)。正如本技術(shù)領(lǐng)域的普通人員所熟知的，壓縮機在表征其性能的性能曲線的“拐點”(如圖6中的“81”)時的工作效率最佳。參閱圖7，當壓縮機按曲線104操作，則要求如壓力為約0.7最大、流動速率約0.3最大的工作狀態(tài)將最有效地滿足該壓縮機的工作，該壓縮機是按曲線104操作的，其中的擴壓器環(huán)40和42被調(diào)節(jié)到一關(guān)閉位置，而諸導片被調(diào)節(jié)到-10度位置。
圖1中表示了一種是內(nèi)環(huán)40在外環(huán)42中沿圓周轉(zhuǎn)動用的機械裝置。與內(nèi)環(huán)40整體結(jié)合的氣缸120從內(nèi)環(huán)40與之共同延伸，并管道連接于法蘭122，該法蘭122從氣缸120沿徑向朝外延伸。法蘭122與齒輪124嚙合，該齒輪124是通過軸126由電動機128驅(qū)動。該電動機128經(jīng)選擇并控制以使嚙合40相對外環(huán)42在全開和一第二關(guān)閉位置和在該兩位置之間的任何數(shù)目的中間位置中移動。軸126安裝在一傳統(tǒng)的殼座130中，該殼座是從電動機內(nèi)部132氣密密封的，用以防止流體通過殼座130漏出壓縮機10。
如從圖2可很好看到外環(huán)42有一座136以確保內(nèi)環(huán)40與外環(huán)42之間的對中，并可防止流體從兩環(huán)間的界面漏出。
權(quán)利要求
1.一離心壓縮機，它具有一箱體和一可旋轉(zhuǎn)地安裝于該箱體內(nèi)的葉輪，用于將一工作流體從一入口帶到一圓形的沿徑向設(shè)置的擴壓器的入口，所述擴壓器的特征在于，它具有一第一內(nèi)環(huán)，所述內(nèi)環(huán)具有多個形成在其上的第一流動導槽部分；一第二外環(huán)，所述外環(huán)具有多個形成在其上的第二流動導槽部分，所述每個第二導槽部分有一互補的第一流動導槽部分；以及驅(qū)動裝置，它用來使所述第一和第二環(huán)在一第一打開位置與第二關(guān)閉位置之間彼此相對轉(zhuǎn)動，其中，在所述打開位置時所述互補的第一和第二流動槽部分對齊，使最大量流體流過所述互補的槽部分，而在所述的關(guān)閉位置時所述第一和第二互補的流動導槽不對齊以限制流體流過所述互補的槽部分。
2.如權(quán)利要求1所述的壓縮機，其特征在于，所述驅(qū)動裝置帶動所述內(nèi)環(huán)在所述外環(huán)內(nèi)沿圓周轉(zhuǎn)動。
3.如權(quán)利要求1所述的壓縮機，其特征在于，所述驅(qū)動裝置帶動所述外環(huán)繞所述內(nèi)環(huán)沿圓周轉(zhuǎn)動。
4.如權(quán)利要求1所述的壓縮機，其特征在于，所述驅(qū)動裝置包括限制裝置，它用來限制在所述內(nèi)、外環(huán)之間的轉(zhuǎn)動，使在所述第二關(guān)閉位置，流過所述槽的空氣流不小于當所述擴壓器處在所述第一打開位置時流過所述槽的空氣流的約10％。
5.如權(quán)利要求1所述的壓縮機，其特征在于，所述驅(qū)動裝置包括一氣缸，它從所述內(nèi)環(huán)共空間地沿伸；一法蘭，它從所述氣缸沿徑向朝外地延伸；一齒輪裝置，它在與所述法蘭的嚙合關(guān)系中用于轉(zhuǎn)動所述法蘭；以及電動機裝置，它用來驅(qū)動所述齒輪裝置。
6.如權(quán)利要求1所述的壓縮機，其特征在于，所述內(nèi)環(huán)包括多個堅固的無槽部分，所述每個無槽部分的寬度小于所述外環(huán)流動導槽部分的最小寬度。
7.如權(quán)利要求1所述的壓縮機，其特征在于，所述內(nèi)環(huán)的厚度不大于為堵住所需部分的通過所述外環(huán)流動導槽部分的流體所必需的厚度。
8.一離心壓縮機，它具有一箱體和一可旋轉(zhuǎn)地安裝于該箱體內(nèi)的葉輪，用于將一工作流體從一入口帶到一圓形的沿徑向設(shè)置的擴壓器的入口，所述擴壓器的特征在于，它具有一第一內(nèi)環(huán)，所述內(nèi)環(huán)具有多個形成在其上的第一流動導槽部分；一第二外環(huán)，所述外環(huán)具有多個形成在其上的第二流動導槽部分，所述每個第二導槽部分有一互補的第一流動導槽部分；以及驅(qū)動裝置，它用來使所述內(nèi)、外環(huán)沿軸向彼此相對轉(zhuǎn)動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于離心壓縮機的可變管道擴壓器。該可變管道擴壓器包括一外環(huán)和一在外環(huán)中在一第一打開位置與第二關(guān)閉位置之間沿圓周可轉(zhuǎn)動的內(nèi)環(huán)。在打開位置內(nèi)、外環(huán)的互補的空氣槽部分彼此對齊以使最大量的流體通過該擴壓器。在關(guān)閉位置兩環(huán)的諸流動槽不對齊,限制了制冷劑通過該擴壓器。利用將擴壓器的兩環(huán)朝一關(guān)閉位置調(diào)節(jié),在即使需要高的壓縮機壓力比的情況下也能避免喘振狀態(tài)的發(fā)生。
文檔編號F04D17/10GK1178293SQ9711085
公開日1998年4月8日 申請日期1997年4月30日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月7日
發(fā)明者約斯特J·布拉斯茲, 約翰W·薩爾瓦熱 申請人:運載器有限公司