具有延伸行程的可變幾何形狀擴(kuò)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(kuò)散器及其控制方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)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(shí)申請(qǐng)N0.61/724，684的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及離心壓縮機(jī)，且更具體地涉及一種改進(jìn)的可變幾何形狀擴(kuò)散器機(jī)構(gòu)，其允許在離心壓縮機(jī)的包含啟動(dòng)和停機(jī)的完整運(yùn)行范圍內(nèi)改進(jìn)控制。
【背景技術(shù)】
[0004]離心壓縮機(jī)在多種要求壓縮流體的設(shè)備(諸如，深冷器)中是有用的。壓縮機(jī)通過使流體經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的葉輪而運(yùn)行。葉輪對(duì)流體作用以增加流體的壓力。因?yàn)槿~輪的運(yùn)行在流動(dòng)中創(chuàng)建了逆向壓力梯度，所以某些壓縮機(jī)設(shè)計(jì)包含被定位在葉輪出口處的可變幾何形狀擴(kuò)散器，以在失速(stall)事件期間將流體流動(dòng)穩(wěn)定化，從而減輕失速。當(dāng)制冷劑流動(dòng)減小、同時(shí)跨過葉輪的壓力差被維持時(shí)，導(dǎo)致失速。失速不期望地產(chǎn)生了噪聲，導(dǎo)致振動(dòng)并且降低壓縮機(jī)的效率。
[0005]由于失速條件僅在非常小百分比的壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間中存在，因此可變幾何形狀擴(kuò)散器的運(yùn)行類似地被限制，以使得磨損和撕裂、載荷以及其它影響擴(kuò)散器機(jī)構(gòu)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(kuò)散器機(jī)構(gòu)的使用將顯著地影響擴(kuò)散器機(jī)構(gòu)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(hào)6，872，050 (‘050專利)中闡述了一種現(xiàn)行的擴(kuò)散器設(shè)計(jì)。該‘050專利公開了一種在壓縮機(jī)運(yùn)行期間被打開和被閉合的可變幾何形狀擴(kuò)散器，其制造便宜、組裝容易、修理或更換簡便，且響應(yīng)于初期失速條件提供強(qiáng)制嗤合(positive engagement)用于響應(yīng)于來自控制器的信號(hào)或命令而確定位置。
[0007]‘050專利的可變幾何形狀擴(kuò)散器設(shè)計(jì)利用了一個(gè)擴(kuò)散器環(huán)，該擴(kuò)散器環(huán)是在第一縮回位置與第二延伸位置之間可移動(dòng)的，在該第一縮回位置中經(jīng)過擴(kuò)散器間隙的流動(dòng)是無障礙的，而在該第二延伸位置中該擴(kuò)散器環(huán)響應(yīng)于檢測(cè)到失速而延伸到該擴(kuò)散器間隙中以改變經(jīng)過該擴(kuò)散器間隙的流體流動(dòng)。這是通過延伸該擴(kuò)散器環(huán)大體跨過該擴(kuò)散器間隙以改變流體流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。可以通過延伸該擴(kuò)散器環(huán)跨過該擴(kuò)散器間隙的大約75%來實(shí)現(xiàn)該減輕。該擴(kuò)散器環(huán)由驅(qū)動(dòng)環(huán)驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)環(huán)是從對(duì)應(yīng)于該擴(kuò)散器環(huán)的第一縮回位置的第一位置、對(duì)應(yīng)于該擴(kuò)散器環(huán)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(dòng)的。該第二位置是在該擴(kuò)散器間隙的大約75%處的使系統(tǒng)穩(wěn)定以使失速被減輕的延伸位置。該驅(qū)動(dòng)環(huán)進(jìn)而被安裝到支持塊，且驅(qū)動(dòng)環(huán)相對(duì)于支持塊可旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，支持塊被安裝到噴嘴基板的背側(cè)面。該噴嘴基板被固定到與離心壓縮機(jī)的葉輪鄰近的殼體。雖然在壓縮機(jī)運(yùn)行期間，當(dāng)該擴(kuò)散器環(huán)處于其第二延伸位置時(shí)，該可變幾何形狀擴(kuò)散器設(shè)計(jì)在改變經(jīng)過該擴(kuò)散器間隙的流動(dòng)方面是有效的，但是在壓縮機(jī)停機(jī)期間，該擴(kuò)散器環(huán)不足以阻塞流動(dòng)以阻止壓縮機(jī)逆轉(zhuǎn)和相關(guān)聯(lián)的瞬態(tài)載荷也不足以當(dāng)該壓縮機(jī)從低載荷和低速度斜坡上升到高速度時(shí)避免在啟動(dòng)期間的瞬態(tài)浪涌和失速。該可變幾何形狀擴(kuò)散器的使用由于在總體環(huán)面積上的壓力差而在該擴(kuò)散器環(huán)上生成載荷。當(dāng)該環(huán)處于其縮回位置時(shí)，壓縮的制冷劑經(jīng)過該環(huán)表面且遇到非常小的載荷。然而，當(dāng)該環(huán)移動(dòng)到其延伸位置進(jìn)入該擴(kuò)散器間隙時(shí)，高速度氣體經(jīng)過該擴(kuò)散器環(huán)的面，產(chǎn)生低壓力區(qū)域。在噴嘴基板的凹槽中的較高壓力氣體在該環(huán)的背側(cè)面上施加力。可以計(jì)算在該環(huán)上以及在該可變幾何形狀擴(kuò)散器機(jī)構(gòu)的其余部分上的載荷。它是該環(huán)的兩側(cè)上的氣體壓力差乘以該環(huán)的面積。本發(fā)明的可變幾何形狀擴(kuò)散器包含相對(duì)大的擴(kuò)散器環(huán)，其運(yùn)行必須克服相當(dāng)大的力，且其在運(yùn)行中必須承受相當(dāng)大的力。因此，所述機(jī)構(gòu)是相當(dāng)大的，且為克服這些力以運(yùn)行這些機(jī)構(gòu)所要求的能量同樣是相當(dāng)大的。然而，因?yàn)閮H在小百分比的壓縮機(jī)總體壽命期間內(nèi)嚙合該可變幾何形狀擴(kuò)散器，所以該可變幾何形狀擴(kuò)散器經(jīng)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(kuò)散器環(huán)的使用，以使得不僅僅是將其作為失速減輕設(shè)備使用。該可變幾何形狀擴(kuò)散器環(huán)不僅可以用于失速減輕設(shè)備，而且可以用于容量控制、浪涌控制、改進(jìn)的下調(diào)(turndown)、壓縮機(jī)逆轉(zhuǎn)最小化和壓縮機(jī)停機(jī)期間的相關(guān)聯(lián)的瞬態(tài)載荷以及用于對(duì)啟動(dòng)瞬態(tài)的最小化。由于這樣的可變幾何形狀擴(kuò)散器的增加的使用，要求改進(jìn)的設(shè)備向整個(gè)離心機(jī)運(yùn)行提供期望的控制增強(qiáng)，同時(shí)向經(jīng)受增加的使用的該可變幾何形狀擴(kuò)散器提供長壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供了一種可變幾何形狀擴(kuò)散器(VGD)機(jī)構(gòu)。該VGD機(jī)構(gòu)包含擴(kuò)散器環(huán)，該擴(kuò)散器環(huán)如對(duì)VGD機(jī)構(gòu)預(yù)期的而延伸到減輕失速的擴(kuò)散器間隙中。然而，與現(xiàn)有技術(shù)的VGD機(jī)構(gòu)相比，本發(fā)明的VGD機(jī)構(gòu)延伸到該擴(kuò)散器間隙中更遠(yuǎn)，以使得本發(fā)明的VGD機(jī)構(gòu)可以被用來控制其他運(yùn)行效用。因此，該VGD機(jī)構(gòu)可以被用來通過防止在壓縮機(jī)停機(jī)期間制冷劑氣體反向流動(dòng)經(jīng)過該擴(kuò)散器間隙，來最小化在壓縮機(jī)停機(jī)期間的壓縮器逆轉(zhuǎn)以及相關(guān)聯(lián)的瞬態(tài)載荷。因?yàn)橥ㄟ^該擴(kuò)散器環(huán)的完全延伸大體阻塞了該擴(kuò)散器間隙，所以防止了制冷劑氣體的反向流動(dòng)。該V⑶機(jī)構(gòu)還提供了更好的且更有效的壓縮機(jī)下調(diào)(turn-down)，減少了在低冷卻容量運(yùn)行期間將大量熱氣體旁路的需要。在啟動(dòng)期間，因?yàn)樵摽勺儙缀涡螤顢U(kuò)散器環(huán)可以被定位以阻止氣體隨著載荷和葉輪速度增加流動(dòng)經(jīng)過該擴(kuò)散器間隙，所以也可以有效地消除瞬態(tài)浪涌和失速，從而減輕了在低速度時(shí)由啟動(dòng)載荷導(dǎo)致的問題。本發(fā)明的VGD機(jī)構(gòu)也可以被用于容量控制，以便實(shí)現(xiàn)更有效的在低載荷時(shí)的下調(diào)。
[0010]雖然在某些條件下，在正常運(yùn)行期間，該擴(kuò)散器環(huán)延伸跨過該擴(kuò)散器間隙以適應(yīng)通過該擴(kuò)散器間隙的減少的氣體流動(dòng)，但是由于隨著該葉輪在啟動(dòng)期間關(guān)于速度斜坡上升或在停機(jī)期間該葉輪的速度降低，該氣體流動(dòng)被顯著降低，因此在停機(jī)和啟動(dòng)期間該擴(kuò)散器環(huán)必須大體完全延伸跨過該擴(kuò)散器間隙。該擴(kuò)散器環(huán)的外邊緣包括凸緣，該凸緣當(dāng)完全延伸跨過該擴(kuò)散器間隙時(shí)大體阻止氣體流動(dòng)經(jīng)過該擴(kuò)散器間隙。該擴(kuò)散器環(huán)上的軸向力是該環(huán)的兩側(cè)上的壓力差與該環(huán)的面積的函數(shù)。當(dāng)該擴(kuò)散器環(huán)被延伸到該擴(kuò)散器間隙中時(shí)，高速度氣體經(jīng)過該環(huán)的外面，產(chǎn)生低壓力區(qū)域。在該環(huán)的第一側(cè)面上的較高壓力氣體提供在該環(huán)的第一側(cè)面上的力。該環(huán)上的整個(gè)軸向力是該環(huán)的第一側(cè)面與該環(huán)的對(duì)置的第二側(cè)面之間的氣體壓力差乘以該環(huán)的徑向面面積?？梢酝ㄟ^減少該環(huán)的面積來使該環(huán)上的軸向力最小化。通過減少該環(huán)延伸到該擴(kuò)散器間隙中的徑向?qū)挾?，該環(huán)上的軸向力與該環(huán)的寬度成比例地減小。雖然可以減小該環(huán)的寬度(厚度)以降低載荷，但是該環(huán)必須足夠厚以適應(yīng)來自經(jīng)過該環(huán)的流動(dòng)的增加的徑向力，否則該環(huán)將不作用以阻塞氣體有效地流動(dòng)且會(huì)遭受運(yùn)行故障。該環(huán)的厚度將取決于該壓縮器的容量在壓縮器之間變化，該環(huán)的厚度是相對(duì)的，該關(guān)系取決于幾個(gè)因素，最重要的是作用在該擴(kuò)散器環(huán)的第一內(nèi)圓柱形表面上和第二外圓柱形表面上的凈徑向流動(dòng)力，特別是在停機(jī)期間葉輪從運(yùn)行速度變慢時(shí)或在啟動(dòng)期間葉輪斜坡上升到運(yùn)行速度時(shí)。具有較大葉輪的較大壓縮機(jī)將會(huì)生成較高的流動(dòng)力并且經(jīng)受較高的載荷，要求較厚的環(huán)。但是，不管壓縮機(jī)的尺寸，減小該環(huán)上的軸向力減小了運(yùn)行該V⑶機(jī)構(gòu)所必須的力。
[0011]該環(huán)上的作為結(jié)果的軸向載荷最終被傳送到致動(dòng)器機(jī)構(gòu)。本發(fā)明的致動(dòng)器機(jī)構(gòu)包括的改進(jìn)允許它在無油環(huán)境中運(yùn)行，盡管其運(yùn)行并非僅受限于此。該致動(dòng)器機(jī)構(gòu)還被修改，以使得可以監(jiān)測(cè)該擴(kuò)散器環(huán)相對(duì)于殼體的對(duì)置的內(nèi)部面的位置且根據(jù)需要通過控制器調(diào)整該位置。該相關(guān)聯(lián)的凸輪軌道機(jī)構(gòu)也被修改，以使得可以在任意時(shí)間確定該環(huán)在該擴(kuò)散器間隙中的位置。
[0012]不僅該環(huán)必須足夠厚以在該壓縮機(jī)的壽命內(nèi)應(yīng)付徑向載荷，而且該環(huán)還必須與對(duì)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(nèi)面有效地匹配，該殼體的內(nèi)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(kuò)散器環(huán)的目的失效，沒有減少與容量控制、浪涌(它發(fā)生在停機(jī)和啟動(dòng)期間)以及與該改進(jìn)的VGD機(jī)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的運(yùn)行改進(jìn)相關(guān)的問題。盡管在停機(jī)和啟動(dòng)期間消除在擴(kuò)散器環(huán)周圍的這樣的泄漏不是現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)的強(qiáng)制要求，為了使之有效，本發(fā)明的