CN102072186B - 多段离心压缩机的容量控制方法 - Google Patents

Abstract

一种多段离心压缩机的容量控制方法，在具有设置在多段离心压缩机的各段吸入部的入口导向叶片的多段离心压缩机的容量控制方法中，控制各段的上述入口导向叶片的角度相对于基准入口导向叶片角度的比率，使得各段都为预先设定的固定比率。进而，将各段的上述固定比率设定为随着朝向下游侧的后段而变小。根据这样的多段离心压缩机的容量控制方法，能够通过简单且有效地控制上述入口导向叶片而避免压力波，扩大容量的节流区域而令运转范围更加大。

Description

多段离心压缩机的容量控制方法

技术领域

本发明涉及一种具有设置在多段离心压缩机的各段吸入部处的入口导向叶片的多段离心压缩机的容量控制方法，更详细而言，涉及一种能够利用上述入口导向叶片的简单的控制来避免压力波而扩大运转范围的多段离心压缩机的容量控制方法。

背景技术

在化学设备等的各种设备中，为了原料空气压缩用及制造工厂空气源或各种高压气体源等多量的高压气体，使用多段离心压缩机。在压缩机本体的吸入侧具有吸入气体的吸入管的多段离心压缩机中，以往以来，作为不使叶轮的转速变化而使流量、压力变化的容量控制机构，在吸入管入口处设置入口导向叶片。

但是，在离心压缩机中通常存在压力波现象，因此容量调节范围受到限制。因此，期望能够具有更宽的容量调节范围。另一方面，还需要致力于令部分负荷下的效率提高。首先，对于针对前一期望的现有技术的离心压缩机的容量控制方法进行以下说明。

在日本特公平8-14279号公报所述的离心压缩机的容量控制方法中，在由入口导向叶片及扩散器(デイフユザ)叶片的角度决定的叶片角度平面上，预先设定并存储规定压力波区域的压力波线，因此在测定上述入口导向叶片及扩散器叶片的当下角度而这些当下角度进入由上述压力波线规定的上述压力波区域内时，作为压力波消除用叶片角度操作量矢量而求出下述矢量是上述压力波线的法线方向的矢量、朝向上述压力波区域外、是为了从压力波区域出去而必要的调整入口导向叶片及扩散器叶片的角度的操作量。

另一方面，当测定的上述当下角度位于上述压力波区域外的上述压力波线附近、且用于朝向目标流量而决定的叶片角度操作量矢量朝向上述压力波区域内时，基于上述压力波线而从上述叶片角度操作量矢量中除去上述压力波线的法线方向成分而求得沿上述压力波线方向的压力波避免用叶片角度操作量矢量，基于上述的压力波消除用叶片角度操作量矢量或者压力波避免用叶片角度操作量矢量所决定的上述的入口导向叶片及扩散器叶片的角度，控制上述离心压缩机的流量。

但是，为了进行上述的控制，需要多个高级的运算装置、和用于测定作为该运算装置的输入值的各种测量值的测量器，需要很大的费用。此外，控制中存在试行错误的动作，所以向稳定状态移行需要一定时间。

接着，参照附图9在以下说明针对于上述后一期望的日本特开2000-291597号所述的多段离心压缩机的容量控制方法。图9是表示该现有技术的冷冻机用多段压缩机的构造例的剖视图。

图9的现有技术的冷冻机用多段压缩机中的容量控制装置中，为了提供一种没有安装效率显著很低的热气体旁通装置、能够具有高节能性且能够具有宽的容量控制的冷冻机用多段压缩机中的容量控制装置，具有以下的功能。即，该冷冻机用多段压缩机具有以下结构：以电动机18为中心而在其两端分别配置具备一个以上的叶轮22、23、32的低段侧压缩单元20和高段层压缩单元30，并且该两压缩单元20、30的叶轮的旋转轴与该电动机18的旋转轴19直接连结。

而且，该现有技术的冷冻机用多段压缩机中的容量控制装置为，在低段侧压缩单元20的吸入口21a以及高段侧压缩单元30的吸入口31a处分别安装抽吸叶片24、33，经由控制马达27、36而由来自控制盘44的控制信号控制抽吸叶片24、33的开闭。配备在上述控制盘44内的温度控制器利用来自温度检测端的检测温度而向低段侧的控制马达27输出开闭信号。此外，低段侧的控制马达27内的电位计向配备在上述控制盘44内的平衡调节机构输出开度信号。上述平衡调节机构向高段侧的控制马达36输出开闭信号以便与低段侧的开度信号为相同开度。

对于图9的现有技术的冷冻机用多段压缩机中的容量控制装置，在进行压缩机的流量调节时，将低压段和高压段的抽吸叶片24、33控制为具有相同开度，但是在要利用这种方法进行减少流量的控制时，存在仅一侧的段首先进入压力波区域、有时流量的减少范围变窄的问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种多段离心压缩机的容量控制方法，在具有设置在多段离心压缩机的各段吸入部的入口导向叶片的多段离心压缩机的容量控制方法中，能够通过简单且有效地控制上述入口导向叶片而避免压力波，扩大容量的节流区域而令运转范围更加大。

用于实现上述目的的本发明所采用的控制方法为一种具有设置在多段离心压缩机的各段吸入部的入口导向叶片的多段离心压缩机的容量控制方法，其中，控制各段的上述入口导向叶片的角度相对于基准入口导向叶片角度的比率，使得各段都为预先设定的固定比率。

根据这样的方法，各段都能够进行从压力波线离开相同水平的裕量的运转，能够防止仅特定的段首先接近压力波线的情况，并且能够增加容量的节流区域。

在本发明的多段离心压缩机的容量控制方法中，优选将各段的上述固定比率设定为随着朝向下游侧的后段而变小。

根据这样的方法，能够在进行上述压缩机的容量控制的设定时有效且可靠地进行调节。

附图说明

图1是示意地表示本发明的实施方式1或者3所述的四段离心压缩机的构造的示意构造图。

图2是本发明的实施例，是在一般的多段离心压缩机中将导向叶片的角度作为参数而表示流量-压力特性的变化的性能曲线图。

图3是表示图2所示的多段离心压缩机所供给的设备中的压缩气体的流量-压力特性的一例的图。

图4是本发明的比较例，表示在具有图2的性能的多段离心压缩机中进行容量控制时的各段的运转点，图(a)表示第一段压缩机的运转点，图(b)表示第二段压缩机的运转点。

图5是本发明的比较例，表示具有图2的性能的多段离心压缩机中进行容量控制时的各段的运转点，图(c)表示第三段压缩机的运转点，图(d)表示第四段压缩机的运转点。

图6是本发明的实施例，表示具有图2的性能的多段离心压缩机中进行容量控制时的各段的运转点，图(a)表示第一段压缩机的运转点，图(b)表示第二段压缩机的运转点。

图7是本发明的实施例，表示具有图2的性能的多段离心压缩机中进行容量控制时的各段的运转点，图(c)表示第三段压缩机的运转点，图(d)表示第四段压缩机的运转点。

图8是示意地表示本发明的实施方式2的四段离心压缩机的构造的示意构造图。

图9是表示现有技术的冷冻机用多段压缩机的构造例的剖视图。

具体实施方式

首先，作为应用于增速机内置型的四段离心压缩机的例，将本发明的实施方式1所述的多段离心压缩机的容量控制方法参照图1进行以下说明。图1是示意地表示本发明的实施方式1所述的四段离心压缩机的构造的示意构造图。

在本发明的实施方式1所述的四段离心压缩机中，借助电动机6驱动输入轴5，经由增速机16传递动力，第一段压缩机1、第二段压缩机2、第三段压缩机3以及第四段压缩机4被增速。上述第一～第四段压缩机1～4的吸入口处，分别设置有入口导向叶片7～10和用于操作这些的导向叶片操作器11～14。

经由设置在上述第一段压缩机1的吸入部的入口导向叶片7而被吸入的气体在被上述第一段压缩机1压缩后，排出到未图示的第一段排出流路，接着经由设置在第二段压缩机2的吸入部的入口导向叶片8被导入第二段压缩机2。而且，经由上述入口导向叶片8被吸入的气体利用上述第二段压缩机2被进一步压缩，之后被排出到未图示的第二段排出流路，经由入口导向叶片9而被导入到第三段压缩机3。

进而，在上述第三段压缩机3以及第四段压缩机4中连续地反复进行上述相同的压缩过程而被压缩为高压的气体排出到第四段压缩机4的未图示的第四段排出流路，并最终供给到与该第四段排出流路连通的需求端(设备等)。

另一方面，在第四段离心压缩机中具有控制器15，在该控制器15中预先收纳有：运算机构，由能够基于指令信号运算上述入口导向叶片7～10的角度的多个程序模式构成；和控制机构，能够基于该运算机构的运算结果分别向上述导向叶片操作器11～14输出控制信号。

而且，若从设备侧向该控制器15输入“输送多少流量的多少压力的气体”的指令信号，则基于该指令信号，借助上述运算机构求得入口导向叶片7～10的角度。此时，选择令各段的上述入口导向叶片的角度相对于基准入口导向叶片角度的比率为各段都预先设定好的固定比率的程序模式，进行基于该程序的运算。这些固定比率的值只要指令信号不变就不会变化。接着，该运算结果被输入到上述控制机构，该控制机构分别向导向叶片操作器11～14输出控制信号而进行控制。

即，在本发明的实施方式1的多段离心压缩机的容量控制方法中，利用收纳在控制器15内的上述运算机构运算上述入口导向叶片7～10的角度，并且基于该运算结果从上述控制机构向导向叶片操作器11～14分别输出控制信号，利用该控制信号分别操作导向叶片11～14。

而且，利用上述导向叶片操作器11～14的操作，分别控制入口导向叶片7～10而进行压缩机各段的容量调节。其结果，各段都能够进行距压力波线具有相同水平的裕量的运转，能够防止仅特定的段首先接近压力波线的情况，能够增加容量的节流区域。

另外，在上述本发明的实施方式1所述的多段离心压缩机的容量控制方法中，说明了四段的离心压缩机的情况，但是只要是具有两段以上的多个段的多段离心压缩机就都能够使用本发明。此外，说明了在多段离心压缩机的全部段中都设置有导向叶片以及导向叶片操作器的实施例，但上述导向叶片以及导向叶片操作器也并不一定在全部段中都设置。

【实施例】

接着说明在具有入口导向叶片并具有图2、3所示的压缩机特性的一般的多段离心压缩机中使用了上述现有技术2的比较例、和使用了本发明的实施例。图2是本发明的实施例，是表示在一般的多段离心压缩机中令导向叶片的角度作为参数而流量-压力的变化的性能曲线图，图3是表示图2所示的多段离心压缩机所供给的设备中的压缩气体的流量-压力特性的一例的图。

该多段离心压缩机的性能如图2所示，随着导向叶片的角度从-30度向60度变大，排出流量、排出压力都下降。此外，在各导向叶片角度中，若节流排出流量，则到达图中的点划线所示的压力波线而产生压力波现象。此外，一般而言，若在设备中使用的压缩气体的流量减少，则如图3所示，求得的压缩机的排出压力有稍微减少的倾向。此外，有时相对于额定运转条件的排出流量Qd，在部分负荷的运转条件Q1、Q2下运用。

<比较例>

首先，参照图4、5说明在上述多段离心压缩机中应用现有技术2的比较例。图4、5是本发明的比较例，表示在具有图2的性能的多段离心压缩机中进行容量控制时的各段的运转点，图4(a)表示第一段压缩机的运转点，图4(b)表示第二段压缩机的运转点，图5(c)表示第三段压缩机的运转点，图5(d)表示第四段压缩机的运转点。

即，图4、5表示在具有上述特性的多段离心压缩机中导向叶片的角度全部段都为30度地进行控制的情况。第一段压缩机的运转点如图4(a)所示，位于点划线所示的压力波线附近，距压力波线的流量裕量sm1非常小。即，在比流量Q1少的排出流量下会发生压力波，无法运转。

另一方面，在第二～第四段压缩机中，到压力波线的各裕量sm2～sm4都比第一段压缩机的流量裕量sm1大，可知相对于更小流量的运转还有裕度。即，距压力波线的流量裕量表示为有越靠后段越大的倾向，在第一段压缩机到达压力波线的排出流量下，第四段压缩机的流量裕量sm4也还有充分的裕量。

<实施例>

接着参照图6、7说明应用了本发明的实施例。图6、7是本发明的实施例，表示在具有图2的性能的多段离心压缩机中进行了容量控制的情况下的各段的运转点，图6(a)表示第一段压缩机的运转点，图6(b)表示第二段压缩机的运转点，图7(c)表示第三段压缩机的运转点，图7(d)表示第四段压缩机的运转点。

即，在应用了本发明的实施例中，在具有上述特性的多段离心压缩机中，进行控制使得各段的入口导向叶片7～10的设定角度相对于基准入口导向叶片角度而在各段中都为预先设定的固定比率。即，控制为下式(1)～(4)所示的值。

f(1st)＝a×f(base)    (1)

f(2nd)＝b×f(base)    (2)

f(3rd)＝c×f(base)    (3)

f(4th)＝d×f(base)    (4)

在此，f(base)：导向叶片基准设定角度

f(1st)：第一段压缩机导向叶片设定角度

f(2nd)：第二段压缩机导向叶片设定角度

f(3rd)：第三段压缩机导向叶片设定角度

f(4th)：第四段压缩机导向叶片设定角度

a、b、c、d：比例常数

来自设备的指令信号(要求流量等)被输入到控制器15，利用收纳在上述控制器15中的运算机构而基于该指令信号算出上述f(base)。相对于要求的流量最适当的f(base)的值依赖于设备的特性及压缩机的特性。因此，例如在预先的实验中求得与要求流量对应的最适当的f(base)值，并将其保存在运算机构中。

接着，从上式(1)～(4)算出压缩机各段的导向叶片的角度，利用收纳在上述控制器15中的控制机构而向各段的导向叶片操作器11～14输出控制信号。

图6、7中的运转点Q1时，若设定为a＝1.15，b＝1.05，c＝0.95，d＝0.85，则f(base)＝30[度]时，

f(1st)＝34.5[度]

f(2nd)＝31.5[度]

f(3rd)＝28.5[度]

f(4th)＝25.5[度]

如图6、7所示，运转点Q1的各段的距压力波线的流量裕量sm1～sm4为相同水平，在该运转点Q1处距压力波线也还具有裕量，即便在流量进一步节流的运转点Q2下也能够运转。即，根据本发明，能够实现压缩机的流量控制范围的增加。

此外，本发明的多段离心压缩机的容量控制方法即便不使用上述现有技术1所示的复杂的控制也能够进行充分的流量控制。一般而言，在要求图2所示的流量-压力特性时，上述常数a～d以满足下式(5)的方式设定时能够更有效地控制流量。

a＞b＞c＞d    (5)

一般而言，在本发明的多段离心压缩机中，其第一段压缩机的入口压力大多时候即便排出流量变化也几乎不发生变化。但是，求得的排出压力如图3所示那样随着排出流量的减少而降低。因此，若设备中使用的压缩气体的流量减少，则各段的压缩机的排出压力也降低。此时的第二段压缩机的入口侧的体积流量的与额定时的体积流量的比的值比第一段压缩机的该值大。上述比的值后一段比前一段大，这在第三段以后的高压段(下游侧的后段)的压缩机中也同样。即，可以说有越靠后段运转点距压力波线越远的倾向。若考虑以上的情况，则设定为满足上述式(5)则更为有效。

接着，参照附图8说明本发明的实施方式2的多段离心压缩机的容量控制方法。

其中，本发明的实施方式2与上述实施方式1不同之处在于，本发明的实施方式1为增速机内置型的多段离心压缩机，相对于此，实施方式2中为一轴型的多段离心压缩机，此外如后述那样，上述实施方式1构成为各段的导向叶片全部由不同的独立的导向叶片操作器控制，相对于此，实施方式2中，具有通过公共的导向叶片操作器控制多段的导向叶片的一部分的构成，这些不同以外与上述实施方式1为完全相同的构成，所以对于与上述实施方式1相同的部件标注相同的附图标记而在以下对不同点进行说明。

即，在上述实施方式1中，具有各段的导向叶片7～10被导向叶片操作器11～14独立地控制的构成，相对于此，在实施方式2中，构成为利用连杆机构等，第一、三段压缩机1、3的导向叶片7、9被公共的导向叶片操作器50、第二、四段压缩机2、4的导向叶片8、10被另一公共的导向叶片操作器51操作。

而且，本发明的实施方式2的多段离心压缩机的容量控制方法为，这样地连结的导向叶片7～10的角度以利用上述连杆机构成为相同角度的方式，控制为下式(6)、(7)所示的值。

f(1st)＝f(3rd)＝a×f(base)    (6)

f(2nd)＝f(4th)＝b×f(base)    (7)

因此，根据本发明的实施方式2所述的多段离心压缩机的容量控制方法，即便是上述实施方式2以外的更广范围的多段离心压缩机，也能够应用本发明的容量控制方法。

接着，参照前图1说明本发明的实施方式3的多段离心压缩机的容量控制方法。

其中，本发明的实施方式3与上述实施方式1不同之处在于，本发明的实施方式1中使用上述(1)～(4)计算入口导向叶片7～10的设定角度，相对于此，在实施方式3中，如下式(8)～(11)所示，将角度的值变换为三角函数tan后乘以常数，再利用反三角函数atan再次变换其而计算。作为三角函数，除了tan以外，也可以是sin及cos。

f(1st)＝atan[a×tan{f(base)}]    (8)

f(2nd)＝atan[b×tan{f(base)}]    (9)

f(3rd)＝atan[c×tan{f(base)}]    (10)

f(4th)＝atan[d×tan{f(base)}]    (11)

运算稍微复杂，但根据压缩机的特性上述实施方式3的容量控制方法有时能够令多段离心压缩机的流量范围变得更广。以下说明这样的离心压缩机的特性。

首先，离心压缩机的压力头(与排出压密切相关)H如下述(12)所示与右边呈比例关系。

H∝U2·Cu2-U1·Cu1        (12)

在此，U2和U1表示叶轮入口与出口的圆周速度(周速)，若转速一定则与导向叶片的角度无关而相同。Cu2是叶轮出口的气体的决定速度的周方向分量，根据流量条件等而稍微变化但不会有大变化。另一方面，Cu1是叶轮入口的气体的绝对速度的周方向分量，若导向叶片的角度为0度则也为0。基于导向叶片的流量控制利用该导向叶片而控制上述Cu1的值，若Cu1的值变大，则从上式(12)可知H的值变小，排出压力降低。由此，令运转点变化而进行流量调节的是导向叶片控制。

假如流入速度相同，则周方向分量与tan{f(base)}成比例，导向叶片的角度为0～45度左右之前，角度和tan{f(base)}的变化比例同等，但若上述角度变为60度左右，则tan{f(base)}的增加量与角度自身的增加量相比变大。在具有这样的角度下的角度的微妙变化给运转点带来很大影响的压缩机特性的多段离心压缩机时，使用上式(8)～(11)的本发明的实施方式3的容量控制方法有时变得有效。

在这样的实施方式3中，最终各段的上述入口导向叶片的角度与基准入口导向叶片角度的关系也可以说是各段中都为预先设定的固定比率。

如以上说明那样，根据本发明的多段离心压缩机的容量控制方法，将入口导向叶片的角度的各段的相对的比例控制为一定比率，所以各段都能够进行距压力波线具有相同水平的裕量的运转，能够防止仅特定的段首先接近压力波线，并且能够增加容量的节流区域。此外，根据本发明的多段离心压缩机的容量控制方法，将上述角度的各段的相对的比率设定为随着朝向下游侧的后段而变小，所以能够在进行上述压缩机的容量控制的设定时有效且可靠地进行调节。

Claims (1)

1.一种多段离心压缩机的容量控制方法，所述多段离心压缩机具有设置在多段离心压缩机的各段吸入部的入口导向叶片，

将各段的上述入口导向叶片的角度与基准入口导向叶片角度的比率控制为各段都为预先设定的固定比率，

将各段的预先设定的固定比率设定为随着朝向下游侧的后段而变小。

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