CN114375370A - 具有优化级间流入口的压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压缩机。所述压缩机包含具有第一叶轮组合件和第一扩散器组合件的第一级部分、具有第二叶轮组合件和第二扩散器组合件的第二级部分，以及位于所述第一级部分与所述第二级部分之间的级间部分。所述级间部分包含导向叶片组合件、环绕所述导向叶片组合件的收集器通道，以及将所述收集器通道以流体方式联接到所述导向叶片组合件的周向***狭槽。

Description

具有优化级间流入口的压缩机

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年8月12日提交的第62/885,563号美国临时专利申请的优先权和权益，所述临时专利申请的全部公开内容以引用的方式并入本文中。

背景技术

建筑物可包含加热、通风和空气调节(HVAC)***。

发明内容

至少一个方面涉及一种压缩机。压缩机可包含具有第一叶轮组合件和第一扩散器组合件的第一级部分、具有第二叶轮组合件和第二扩散器组合件的第二级部分，以及位于第一级部分与第二级部分之间的级间部分。级间部分可包含导向叶片组合件、环绕导向叶片组合件的收集器通道，以及以流体方式联接收集器通道与导向叶片组合件的周向***狭槽。

附图说明

图1为根据一些实施例的冷却器组合件的透视图。

图2为根据一些实施例的图1的冷却器组合件的侧视图。

图3为根据一些实施例的可与图1的冷却器组合件一起利用的多级压缩机的透视图。

图4为根据一些实施例的图3的多级压缩机的俯视图。

图5为根据一些实施例的图3的多级压缩机的侧横截面视图。

图6A至6D为根据一些实施例的图3的多级压缩机的额外的侧横截面视图。

图7为根据一些实施例的可与图3的多级压缩机一起利用的导向叶片组合件的透视图。

图8为根据一些实施例的图7的导向阀组合件的正横截面视图。

图9为根据一些实施例的可在图3的多级压缩机中利用的级间回流通道组合件的另一实施例的透视横截面视图。

图10为根据一些实施例的描绘图3的多级压缩机的周向压力分布测试数据的曲线图。

具体实施方式

大体上参看图式，展示具有多级离心式压缩机的冷却器组合件，所述多级离心式压缩机具有优化级间流入口。离心式压缩机适用于需要压缩流体的多种装置，例如冷却器。为了实现此压缩，离心式压缩机利用旋转组件以便将角动量转换成流体中的静压力升。

单级离心式压缩机可包含四个主要组件：入口、叶轮、扩散器和收集器或蜗壳。入口可包含简单管道，所述简单管道将流体(例如，制冷剂)抽取到压缩机中且将流体递送到叶轮。叶轮为一组旋转叶片，其随着流体从叶轮的中心(也称为叶轮眼)行进到叶轮的外圆周边缘(也称为叶轮尖端)而逐渐升高流体的能量。在流体路径中叶轮的下游是扩散器机构，其用以使流体减速且因此将流体的动能转换成静压能。在离开扩散器之后，流体进入收集器或蜗壳，其中由于收集器或蜗壳的形状而发生动能到静压的进一步转换。

多级离心式压缩机可包含多个入口、叶轮和扩散器。与单级压缩机相比，多级压缩机能够达到较高的总体压力比，且由于节能器的存在而实现较好的制冷循环性能，如下文进一步详细描述。两级离心式压缩机可如下操作：流体的主流可流动穿过第一入口、叶轮和扩散器组合件。在离开第一扩散器组合件后，流体的主流可与通过第二入口进入压缩机的流体的第二流组合。组合的主流和二次流随后行进通过第二叶轮和扩散器组合件，然后通过收集器或蜗壳离开压缩机。并非将二次流倾倒在回流通道的顶部或将其注射在主流中的离散点(这两者都在空气动力学上对主流体流造成破坏)，本公开的实施例包含以流体方式联接到二次流入口的收集器空腔。收集器空腔准许二次流在***到主流路径中之前均匀地分布，从而提高压缩机性能。

现参考图1至2，描绘了冷却器组合件100的实例实施方案。冷却器组合件100示出为包含由电动机104驱动的压缩机102、冷凝器106和蒸发器108。制冷剂以蒸汽压缩循环方式循环通过冷却器组合件100。冷却器组合件100还可包含控制面板114以控制冷却器组合件100内的蒸汽压缩循环的操作。

电动机104可由变速驱动器(VSD)110供电。VSD 110从AC电源(未图示)接收具有特定固定线路电压和固定线路频率的交流电(AC)电力，且将具有可变电压和频率的电力提供到电动机104。电动机104可为可由VSD 110供电的任何类型的电动机。举例来说，电动机104可为高速感应电动机。压缩机102由电动机104驱动以通过吸入管线112压缩来自蒸发器108的制冷剂蒸汽且通过排出管线124将所述制冷剂蒸汽递送到冷凝器106。压缩机102可以是离心式压缩机、螺杆式压缩机、涡旋式压缩机、涡轮压缩机或任何其它类型的合适压缩机。在本文所涵盖的实施例中的每一者中，压缩机102为多级离心式压缩机。

蒸发器108包含内部管束(未图示)、供应管线120和回流管线122以用于将过程流体供应到内部管束和从内部管束移除过程流体。供应管线120和回流管线122可经由使过程流体循环的管道与HVAC***(例如，空气处理器)内的组件流体连通。过程流体为用于冷却建筑物的冷冻液，且可为但不限于水、乙二醇、氯化钙盐水、氯化钠盐水或任何其它适合的液体。蒸发器108配置成在过程流体通过蒸发器108的管束且与制冷剂交换热量时降低过程流体的温度。制冷剂蒸汽在蒸发器108中通过递送到蒸发器108的制冷剂液体与过程流体交换热量且经历到制冷剂蒸汽的相变而形成。

通过压缩机102递送到冷凝器106的制冷剂蒸汽将热量传递到流体。由于与流体的热传递，制冷剂蒸汽在冷凝器106中冷凝成制冷剂液体。来自冷凝器106的制冷剂液体流动穿过膨胀装置且返回到蒸发器108以完成冷却器组合件100的制冷剂循环。冷凝器106包含用于在冷凝器106与HVAC***的外部组件(例如，冷却塔)之间循环流体的供应管线116和回流管线118。经由回流管线118供应到冷凝器106的流体与冷凝器106中的制冷剂交换热量，且经由供应管线116从冷凝器106移除以完成循环。循环通过冷凝器106的流体可以是水或任何其它合适的液体。

例如，制冷剂可具有小于400kPa或大致58psi的操作压力。在一些实施例中，制冷剂为R1233zd。R1233zd为相对于市售冷却器组合件中所利用的其它制冷剂而言具有低全球变暖潜能(GWP)的不可燃氟化气体。GWP为经开发以允许比较不同气体的全球变暖影响的度量标准，其通过量化相对于1吨二氧化碳的排放，1吨气体的排放将在给定时间段内吸收多少能量来进行。

现参考图3和4，根据一些实施例，分别描绘多级压缩机102的透视图和俯视图。多级压缩机102示出为包含多个结构组件，包含但不限于主要入口通道外壳305、次要入口收集器外壳310、过渡区域外壳315和蜗壳出口外壳320。可使用任何合适的方法(例如，机械紧固件、焊接)实现主要入口通道外壳305、次要入口收集器外壳310、过渡区域外壳315和蜗壳出口外壳320的联接。在各种实施例中，外壳组件305至320中的一或多者可由彼此不可分离地或可拆卸地联接的一或多个子组件构成。

主要入口通道外壳305可包含入口325，所述入口联接到吸入入口管道(例如，吸入管线112)，所述吸入入口管道将制冷剂蒸汽的主要供应从蒸发器(例如，蒸发器108)递送到多级压缩机102。在一些实施例中，入口325包含或联接到具有多个流导向叶片的整流组件(未图示)。整流组件可定位在第一级叶轮的上游(下文参看图5和6进一步详细描述)，所述第一级叶轮位于主要入口通道外壳305内以确保第一级叶轮入口处的轴向流动，由此提高压缩机102的性能。

主要入口通道外壳305示出为联接到次要入口收集器外壳310。次要入口收集器外壳310可包含入口330，所述入口联接到节能器(未图示)以将制冷剂蒸汽的二次供应递送到多级压缩机102。节能器是一种类型的过冷器，其可将增加的容量、效率和性能系数(COP)提供到冷却器组合件100。节能器电路可包含：闪蒸罐；到闪蒸罐的入口管线，其连接到冷凝器(例如，冷凝器106)或到冷凝器下游的主要制冷剂管线；膨胀装置，其并入入口管线中；来自闪蒸罐的第一出口管线，其连接到膨胀装置上游的主要制冷剂管线；以及来自闪蒸罐的第二出口管线，其连接到压缩机102的入口330。在操作中，节能器电路可通过在遍及入口330的中间压力下提供制冷剂蒸汽来提高***效率，由此减少由压缩机102执行的工作量且提高压缩机102的效率。如图3和4所描绘，在一些实施例中，入口330位于压缩机102的顶部，且主要入口325和次要入口330相对于彼此垂直地定向。然而，主要入口325和次要入口330可取决于预期应用而相对于彼此在各种方向上定向，使得主要入口325和次要入口330可不相对于彼此垂直。

次要入口收集器外壳310示出为联接到过渡区域外壳315。由节能器提供的二次制冷剂流可在行进穿过由次要入口收集器外壳310到过渡区域外壳315的联接形成的***狭槽之前围绕压缩机周向流动。一旦与主制冷剂流汇合，组合的主制冷剂和二次制冷剂流便行进穿过第二级叶轮(在下文中参考图5和6进一步详细描述)，所述叶轮容纳在过渡区域外壳315内。过渡区域外壳315还示出为联接到蜗壳出口外壳320。蜗壳出口外壳320可包含流动通道，所述流动通道围绕压缩机周向延伸且终止于出口335中。出口335可联接到将制冷剂蒸汽递送到冷凝器(例如，冷凝器106)的排出通道(例如，排出管线124)。尽管在图3和4中描绘为单独组件，但在其它实施例中，次要入口收集器外壳310、过渡区域外壳315和蜗壳出口外壳320中的两个或更多个可作为单一组件铸造或机械加工。

多级压缩机102进一步示出为包含第一扩散器致动组合件340和第二扩散器致动组合件345。第一扩散器致动组合件340可配置成操作第一叶轮下游的第一扩散器组合件，而第二扩散器致动组合件345可配置成操作第二叶轮下游的第二扩散器组合件。在各种实施例中，扩散器组合件中的一者或两者可为形态可变扩散器(VGD)机构，所述形态可变扩散器机构具有可通过致动组合件340或345在其中流动穿过扩散器间隙畅通无阻的第一缩回位置与其中扩散环延伸到扩散器间隙中以改变流动穿过扩散器间隙的流体的第二延伸位置之间移动的扩散环。在其它实施例中，多级压缩机102包含单个扩散器致动组合件。单个扩散器致动组合件可仅控制压缩机102的第一级、仅控制压缩机102的第二级或同时控制第一和第二级两者。

现转而参考图5和图6A至6D，根据一些实施例，描绘了多级压缩机102的横截面视图。如所展示，来自吸入管线的制冷剂蒸汽行进穿过主要入口通道外壳305中的入口325且接近第一叶轮组合件500。如在图6中具体描绘，源自吸入管线的制冷剂蒸汽可指定主制冷剂流615。在旋转期间，叶轮组合件500压缩主制冷剂流615并赋予其切向速度，随后将其径向且沿切线方向向外引导到扩散器组合件。扩散器组合件减小主制冷剂流615的径向和切向速度且增大其静压。通过第一扩散器致动组合件340对第一扩散环620的操作控制扩散过程。在各种实施例中，扩散器可包含叶片或其可为无叶片的。从入口325延伸穿过第一扩散环620的出口的区域包括多级压缩机102的第一级部分600。

在流动通过第一叶轮组合件500和第一扩散环620之后，主制冷剂流615轴向转弯且与二次制冷剂流625混合。二次制冷剂流625可由节能器供应且可通过入口330进入多级压缩机102。二次制冷剂流625可在与主制冷剂流615汇合之前流动穿过形成于次要入口收集器外壳310中的周向收集器通道515。通过行进穿过周向收集器通道515，二次制冷剂流625围绕压缩机102的外周更均匀地分布，这使得在二次制冷剂流625与主制冷剂流615汇合时产生的干扰最小。如所示出，在一些实施例中，收集器通道515具有围绕压缩机102的整个外周的大体上均匀(恒定)的横截面积。在其它实施例中，收集器通道515围绕压缩机102的外周的横截面积可不均匀。举例来说，当制冷剂围绕压缩机102的外周行进时，通道的横截面积可线性地或非线性地增加或减小。此外，可使用各种不同的几何形状建构通道的横截面积。

二次流***狭槽530将收集器通道515以流体方式联接到导向叶片组合件505。在二次制冷剂流625围绕收集器通道515分布之后，二次制冷剂流流动穿过围绕压缩机102的整个外周延伸的二次流***狭槽530以与主制冷剂流615汇合。由于二次流***狭槽530位于次要入口收集器外壳310联接到过渡区域外壳315的区域中，二次流***狭槽530的几何形状(即，长度、宽度、相对于其它流动通路的***角度)由次要入口收集器外壳310和过渡区域外壳315的几何形状以及外壳组件310与315之间的接合的特性确定。如图6A中所示，二次流***狭槽530大体上(即，±10°)平行于次要入口330的流动路径且垂直于主要入口325的流动路径。

在组合后，主流615和二次流625通过导向叶片组合件505。如下文参考图7和8进一步详细描述，导向叶片组合件505可配置成整合并减小组合制冷剂流615和625的切向速度分量。如在图6A中具体描绘，从第一扩散环620的出口开始、涵盖周向收集器通道515且延伸穿过导向叶片组合件505的出口的区域包括多级压缩机102的级间回流通道部分605。

在离开导向叶片组合件505之后，组合的主流615和二次流625接近第二叶轮组合件510。类似于第一叶轮组合件500，第二叶轮组合件510包含一组旋转叶片，所述一组旋转叶片压缩组合的主流615和二次流625并赋予其切向速度。第一叶轮组合件500和第二叶轮组合件510的旋转由到电动机(例如，电动机104)的驱动连接件525驱动。如图5所示，驱动连接件525为直接驱动连接件。在其它实施例中，驱动器连接件525可包含变速箱或其它传输***。

第二叶轮组合件将组合的主流615和二次流625引导到扩散器组合件。扩散器组合件减小组合流的径向和切向速度且增大其静压。在各种实施例中，取决于应用，扩散器组合件可有叶片或无叶片。通过第二扩散器致动组合件345对第二扩散环630的操作控制扩散过程。在穿过由第二扩散环630调节的扩散器间隙区域之后，组合流615和625进入蜗壳流道520。在各种实施例中，蜗壳流道520的横截面积可随着制冷剂蒸汽从扩散环630的出口行进到蜗壳出口335(上文参看图3和4所描述)而线性或非线性地增大或减小。例如，在示例性实施例中，当制冷剂蒸汽朝向蜗壳出口335行进时，蜗壳流道520的横截面积非线性地增大。从第二叶轮组合件510延伸穿过蜗壳流道520的区域包括多级压缩机102的第二级部分610，如图6A中具体描绘。

虽然收集器通道515的横截面形状关于图6A示出且描述为圆形，但应了解，收集器通道515的横截面形状可使用将满足机械和封装要求的任何形状来建构。例如在图6B至6D中示出的可使用的替代性横截面形状的几个实例。特别参考图6B，示出在入口330内的用于收集器通道515的矩形形状。特别参考图6C，示出在入口330内的用于收集器通道515的三角形形状。特别参考图6D，示出在入口330内的用于收集器通道515的椭圆形状。收集器通道515还可定位成使得其相对于次要***狭槽530偏移或对称。

现转向图7和8，根据一些实施例，分别描绘导向叶片组合件505的透视和正面横截面视图。组合件505可替代地被称作“除旋”叶片组合件。组合件505示出为包含定位于上游板705与下游板710之间的多个导向叶片700。上游板705的外圆周展示为包含圆形外唇缘715，而上游板705的内圆周展示为包含圆锥形部分720。在操作中，主制冷剂流(例如，主流615)和二次制冷剂流(例如，二次流625)的混合物组合且从环绕圆形外唇缘715的区域沿着锥形部分720流动通过导向叶片700，且通过下游板710中的中心开口730，随后接近第二叶轮(例如，第二叶轮组合件510)。由于二次流625在与主流615组合之前分布在收集器通道515(图5中所描绘)周围，因此最小化对主流615的不稳定破坏。

如在图8中具体描绘，导向叶片700示出为具有大体上类翼型的形状。虽然导向叶片组合件505示出为包含十七个导向叶片700，但叶片组合件505可包含任何数目个导向叶片，所述导向叶片基于多级压缩机102的操作特性(例如，压缩机操作压力)而具有任何所要叶片形状或几何形状。在一些实施例中，导向叶片700的定向可相对于上游板705和下游板710固定。在其它实施例中，导向叶片组合件505可包含用于修改导向叶片700的定向的致动组合件。

现参看图9，描绘了可在多级压缩机102中利用的级间回流通道组合件900的另一实施例。组合件900示出为包含联接到过渡区域外壳915的次要入口收集器外壳905。与图5至6中所描述的实施例不同，组合件900示出为包含用于从节能器提供的流体的二次流920的经修改流动路径。代替于行进穿过由次要入口收集器外壳905与过渡区域外壳915的接合形成的流动通道，过渡区域外壳915示出为包含二次流出口925和次要***狭槽935。二次流出口925和次要***狭槽935两者可围绕压缩机102的整个外周延伸。

在通过入口910进入入口收集器外壳905之后，流体的二次流920通过收集器通道940围绕多级压缩机102周向分布。二次流920随后在流动穿过次要***狭槽935到导向叶片组合件930中之前通过二次流出口925退出，其中二次流920与主流(未图示)组合。不同于次要***狭槽530，次要***狭槽935不平行于入口910。替代地，次要***狭槽935相对于入口910以一定角度定位。尽管由级间回流通道组合件900提供的二次制冷剂蒸汽流动路径对主制冷剂蒸汽流造成较少干扰，且因此产生比图5至6中所描绘的布置更好的空气动力性能，但组合件900需要更大的轴向流动长度，且因此在压缩机102的总轴向长度受限的情况下可能不是优选的。

现在转向图10，根据一些实施例，展示描绘用于多级压缩机102的周向压力分布测试数据的曲线图1000。x轴1002表示以度为单位的定位在二次流***狭槽530中的压力测量装置的位置。举例来说，0度位置可与入口330的位置对应，而180度位置可与入口330相对定位。y轴1004表示以每平方英寸绝对压力(psia)为单位的压力测量值。曲线图1000中的每一者描绘独立测试运行的结果(即，曲线图1000描绘若干独立测试运行的结果)。如所展示，测试数据表明，每一测试运行的最大与最小压力测量值之间的周向压力偏差小于平均压力值的0.2％。相比之下，不利用本公开的优化级间入口的多级压缩机在1％或更大的范围内具有压力分布的不均匀性。二次流中更大的周向均匀性使得冷却器性能提高。

如在示例性实施例中所示的***和方法的构造和布置仅是说明性的。虽然已在本公开中仅详细描述实例实施例，但许多修改为可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例的变化、参数值、安装布置、材料使用、颜色、定向等)。举例来说，元件的位置可颠倒或以其它方式变化，并且离散元件的性质或数目或位置可更改或变化。因此，此类修改旨在包含在本公开的范围内。任何过程或方法步骤的次序或顺序可根据替代实施例变化或再定序。可在不脱离本公开的范围的情况下在所提供的实例的设计、操作条件和布置方面进行其它替代、修改、改变和省略。

Claims (20)

1.一种压缩机，其包括：

第一级部分，其包括第一叶轮组合件和第一扩散器组合件；

第二级部分，其包括第二叶轮组合件和第二扩散器组合件；以及

级间部分，其位于所述第一级部分与所述第二级部分之间且包括：

导向叶片组合件；

收集器通道，其环绕所述导向叶片组合件；以及

周向***狭槽，其以流体方式联接所述收集器通道与所述导向叶片组合件。

2.根据权利要求1所述的压缩机，其中所述第一级部分进一步包括配置成将流体的主流递送到所述第一叶轮组合件的主要入口。

3.根据权利要求2所述的压缩机，其中所述级间部分进一步包括配置成将流体的二次流递送到所述收集器通道的次要入口。

4.根据权利要求3所述的压缩机，其中所述主要入口和所述次要入口相对于彼此垂直定向。

5.根据权利要求3所述的压缩机，其中所述压缩机充当冷却器组合件的部分，所述主要入口以流体方式联接到蒸发器，且所述次要入口以流体方式联接到节能器。

6.根据权利要求3所述的压缩机，其中所述周向***狭槽和所述次要入口相对于彼此平行。

7.根据权利要求3所述的压缩机，其中所述周向***狭槽相对于所述次要入口以一定角度定向。

8.根据权利要求3所述的压缩机，其中所述流体的主流和所述流体的二次流中的每一者为制冷剂。

9.根据权利要求8所述的压缩机，其中所述制冷剂为R1233zd。

10.根据权利要求1所述的压缩机，其中所述收集器通道的横截面积围绕所述压缩机的外周是恒定的。

11.根据权利要求1所述的压缩机，其中所述第一扩散器组合件包括能够通过第一致动组合件移动的第一扩散环，且所述第二扩散器组合件包括能够通过第二致动组合件移动的第二扩散环。

12.根据权利要求1所述的压缩机，其进一步包括位于所述第二扩散器组合件的出口处的蜗壳流道。

13.一种压缩机，其包括：

第一级部分，其包括第一叶轮组合件和第一扩散器组合件；

第二级部分，其包括第二叶轮组合件和第二扩散器组合件；以及

级间部分，其位于所述第一级部分与所述第二级部分之间且包括：

导向叶片组合件；

收集器通道，其环绕所述导向叶片组合件；以及

周向***狭槽，其以流体方式联接所述收集器通道与所述导向叶片组合件；以及

主要入口，其配置成将流体的主流递送到所述第一叶轮组合件。

14.根据权利要求13所述的压缩机，其中所述级间部分进一步包括配置成将流体的二次流递送到所述收集器通道的次要入口。

15.根据权利要求14所述的压缩机，其中所述主要入口和所述次要入口相对于彼此垂直定向。

16.根据权利要求14所述的压缩机，其中所述周向***狭槽和所述次要入口相对于彼此平行。

17.根据权利要求14所述的压缩机，其中所述周向***狭槽相对于所述次要入口以一定角度定向。

18.一种压缩机，其包括：

第一级部分，其包括第一叶轮组合件和第一扩散器组合件；

第二级部分，其包括第二叶轮组合件和第二扩散器组合件；以及

级间部分，其位于所述第一级部分与所述第二级部分之间且包括：

导向叶片组合件；

收集器通道，其环绕所述导向叶片组合件；以及

周向***狭槽，其以流体方式联接所述收集器通道与所述导向叶片组合件；

主要入口，其配置成将流体的主流递送到所述第一叶轮组合件；以及

次要入口，其配置成将流体的二次流递送到所述收集器通道。

19.根据权利要求18所述的压缩机，其中所述收集器通道的横截面积围绕所述压缩机的外周是恒定的。

20.根据权利要求18所述的压缩机，其进一步包括位于所述第二扩散器组合件的出口处的蜗壳流道。

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