可变几何形状扩散器、具有扩散器的压缩机及其控制方法技术

一种用于与离心压缩机一起使用的改进的可变几何形状扩散器(VGD)机构。VGD机构大体完全延伸到扩散器间隙中，以使得VGD机构可以被更充分地使用，以控制其他运行效用。VGD机构可以被用来通过在压缩机停机期间防止制冷剂气体通过扩散器间隙的反向流动来使压缩机停机期间的压缩机反转以及相关联的瞬态载荷最小化，因为通过扩散器环的完全延伸大体阻塞了扩散器间隙，所以防止了制冷剂气体通过扩散器间隙的反向流动。在启动期间，因为当载荷和叶轮速度增加时气体流经扩散器间隙可以被阻止，所以也可以有效地消除瞬态喘振和失速，从而减轻了在低速度时由启动载荷引起的问题。VGD机构可以被用于容量控制，同样地以便实现低载荷时更有效的下调。

A variable geometry diffuser extension stroke and its control method

An improved variable geometry diffuser (VGD) mechanism for use with centrifugal compressors. The VGD mechanism is substantially extended to the clearance of the diffuser so that the VGD mechanism can be used more fully to control other operational effectiveness. The VGD mechanism can be used to prevent the reverse flow of refrigerant gas through the compressor to stop the compressor diffuser clearance during the inversion and the associated transient load minimization during downtime in the compressor, because through the diffuser ring extending completely blocked the diffuser in gap, so to prevent the refrigerant gas through the reverse flow diffuser clearance. During startup, because when the load and the impeller speed increases when gas flow through the diffuser clearance can be prevented, so it can effectively eliminate the transient surge and stall, so as to reduce the load caused by starting at low speed when the problem. The VGD mechanism can be used for capacity control, in order to achieve more effective lower load reduction.

【技术实现步骤摘要】
具有延伸行程的可变几何形状扩散器及其控制方法本申请是申请日为2013年11月4日、国际申请号为PCT/US2013/068279、国家申请号为201380007484.6、专利技术名称为“具有延伸行程的可变几何形状扩散器及其控制方法”的专利技术专利申请的分案申请。相关申请的交叉引用本申请要求享有2012年11月9日提交的、名称为“VARIABLEGEOMETRYDIFFUSERHAVINGEXTENDEDTRAVEL”的美国临时申请No.61/724,684的优先权和权益。
本专利技术涉及离心压缩机，且更具体地涉及一种改进的可变几何形状扩散器机构，其允许在离心压缩机的包含启动和停机的完整运行范围内改进控制。
技术介绍
离心压缩机在多种要求压缩流体的设备(诸如，深冷器)中是有用的。压缩机通过使流体经过旋转的叶轮而运行。叶轮对流体作用以增加流体的压力。因为叶轮的运行在流动中创建了逆向压力梯度，所以某些压缩机设计包含被定位在叶轮出口处的可变几何形状扩散器，以在失速(stall)事件期间将流体流动稳定化，从而减轻失速。当制冷剂流动减小、同时跨过叶轮的压力差被维持时，导致失速。失速不期望地产生了噪声，导致振动并且降低压缩机的效率。由于失速状态仅在非常小百分比的压缩机运行时间中存在，因此可变几何形状扩散器的运行类似地被限制，以使得磨损和撕裂、载荷以及其它影响扩散器机构的总体寿命完整性的效用(function)被限制。然而，增加可变几何形状扩散器机构的使用将显著地影响扩散器机构的总体可靠性和寿命。Nenstiel于2005年3月29日提交的美国专利号6,872,050(‘050专利)中阐述了一种现行的扩散器设计。该‘050专利公开了一种在压缩机运行期间被打开和被闭合的可变几何形状扩散器，其制造便宜、组装容易、修理或更换简便，且响应于初期失速状态提供强制啮合(positiveengagement)用于响应于来自控制器的信号或命令而确定位置。‘050专利的可变几何形状扩散器设计利用了一个扩散器环，该扩散器环是在第一缩回位置与第二延伸位置之间可移动的，在该第一缩回位置中经过扩散器间隙的流动是无障碍的，而在该第二延伸位置中该扩散器环响应于检测到失速而延伸到该扩散器间隙中以改变经过该扩散器间隙的流体流动。这是通过延伸该扩散器环大体跨过该扩散器间隙以改变流体流动来实现的。可以通过延伸该扩散器环跨过该扩散器间隙的大约75％来实现该减轻。该扩散器环由驱动环驱动，该驱动环是从对应于该扩散器环的第一缩回位置的第一位置、对应于该扩散器环的第二延伸位置的第二位置、以及在该第一位置与该第二位置之间的任何中间位置可移动的。该第二位置是在该扩散器间隙的大约75％处的使系统稳定以使失速被减轻的延伸位置。该驱动环进而被安装到支持块，且驱动环相对于支持块可旋转移动，支持块被安装到喷嘴基板的背侧面。该喷嘴基板被固定到与离心压缩机的叶轮邻近的壳体。虽然在压缩机运行期间，当该扩散器环处于其第二延伸位置时，该可变几何形状扩散器设计在改变经过该扩散器间隙的流动方面是有效的，但是在压缩机停机期间，该扩散器环不足以阻塞流动以阻止压缩机逆转和相关联的瞬态载荷也不足以当该压缩机从低载荷和低速度斜坡上升到高速度时避免在启动期间的瞬态喘振和失速。该可变几何形状扩散器的使用由于在总体环面积上的压力差而在该扩散器环上生成载荷。当该环处于其缩回位置时，压缩的制冷剂经过该环表面且遇到非常小的载荷。然而，当该环移动到其延伸位置进入该扩散器间隙时，高速度气体经过该扩散器环的面，产生低压力区域。在喷嘴基板的凹槽中的较高压力气体在该环的背侧面上施加力。可以计算在该环上以及在该可变几何形状扩散器机构的其余部分上的载荷。它是该环的两侧上的气体压力差乘以该环的面积。本专利技术的可变几何形状扩散器包含相对大的扩散器环，其运行必须克服相当大的力，且其在运行中必须承受相当大的力。因此，所述机构是相当大的，且为克服这些力以运行这些机构所要求的能量同样是相当大的。然而，因为仅在小百分比的压缩机总体寿命期间内啮合该可变几何形状扩散器，所以该可变几何形状扩散器经受的载荷、磨损以及撕裂是可接受的。期望增加该可变几何形状扩散器环的使用，以使得不仅仅是将其作为失速减轻设备使用。该可变几何形状扩散器环不仅可以用于失速减轻设备，而且可以用于容量控制、喘振控制、改进的下调(turndown)、压缩机逆转最小化和压缩机停机期间的相关联的瞬态载荷以及用于对启动瞬态的最小化。由于这样的可变几何形状扩散器的增加的使用，要求改进的设备向整个离心机运行提供期望的控制增强，同时向经受增加的使用的该可变几何形状扩散器提供长寿命。
技术实现思路
本专利技术提供了一种可变几何形状扩散器(VGD)机构。该VGD机构包含扩散器环，该扩散器环如对VGD机构预期的而延伸到减轻失速的扩散器间隙中。然而，与现有技术的VGD机构相比，本专利技术的VGD机构延伸到该扩散器间隙中更远，以使得本专利技术的VGD机构可以被用来控制其他运行效用。因此，该VGD机构可以被用来通过防止在压缩机停机期间制冷剂气体反向流动经过该扩散器间隙，来最小化在压缩机停机期间的压缩器逆转以及相关联的瞬态载荷。因为通过该扩散器环的完全延伸大体阻塞了该扩散器间隙，所以防止了制冷剂气体的反向流动。该VGD机构还提供了更好的且更有效的压缩机下调(turn-down)，减少了在低冷却容量运行期间将大量热气体旁路的需要。在启动期间，因为该可变几何形状扩散器环可以被定位以阻止气体随着载荷和叶轮速度增加流动经过该扩散器间隙，所以也可以有效地消除瞬态喘振和失速，从而减轻了在低速度时由启动载荷导致的问题。本专利技术的VGD机构也可以被用于容量控制，以便实现更有效的在低载荷时的下调。虽然在某些状态下，在正常运行期间，该扩散器环延伸跨过该扩散器间隙以适应通过该扩散器间隙的减少的气体流动，但是由于随着该叶轮在启动期间关于速度斜坡上升或在停机期间该叶轮的速度降低，该气体流动被显著降低，因此在停机和启动期间该扩散器环必须大体完全延伸跨过该扩散器间隙。该扩散器环的外边缘包括凸缘，该凸缘当完全延伸跨过该扩散器间隙时大体阻止气体流动经过该扩散器间隙。该扩散器环上的轴向力是该环的两侧上的压力差与该环的面积的函数。当该扩散器环被延伸到该扩散器间隙中时，高速度气体经过该环的外面，产生低压力区域。在该环的第一侧面上的较高压力气体提供在该环的第一侧面上的力。该环上的整个轴向力是该环的第一侧面与该环的对置的第二侧面之间的气体压力差乘以该环的径向面面积。可以通过减少该环的面积来使该环上的轴向力最小化。通过减少该环延伸到该扩散器间隙中的径向宽度，该环上的轴向力与该环的宽度成比例地减小。虽然可以减小该环的宽度(厚度)以降低载荷，但是该环必须足够厚以适应来自经过该环的流动的增加的径向力，否则该环将不作用以阻塞气体有效地流动且会遭受运行故障。该环的厚度将取决于该压缩器的容量在压缩器之间变化，该环的厚度是相对的，该关系取决于几个因素，最重要的是作用在该扩散器环的第一内圆柱形表面上和第二外圆柱形表面上的净径向流动力，特别是在停机期间叶轮从运行速度变慢时或在启动期间叶轮斜坡上升到运行速度时。具有较大叶轮的较大压缩机将会生成较高的流动力并且经受较高的载荷，要求较厚的环本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于离心压缩机(100)的可变几何形状扩散器(810)，所述可变几何形状扩散器(810)包括至少一个致动器(811)和扩散器环(830)，其中所述致动器(811)被配置为将所述扩散器环(830)从可逆的缩回位置移动到在扩散器间隙(134)中的可逆的延伸位置；其特征在于，所述致动器(811)被配置为以快速模式运行，这允许扩散器环(830)快速移动到在其中扩散器间隙(134)被充分限制的完全延伸位置，以允许容量控制和/或启动管理和/或停机管理而无需使用叶片，尤其无需使用预旋转叶片。

【技术特征摘要】
2012.11.09 US 61/724,6841.一种用于离心压缩机(100)的可变几何形状扩散器(810)，所述可变几何形状扩散器(810)包括至少一个致动器(811)和扩散器环(830)，其中所述致动器(811)被配置为将所述扩散器环(830)从可逆的缩回位置移动到在扩散器间隙(134)中的可逆的延伸位置；其特征在于，所述致动器(811)被配置为以快速模式运行，这允许扩散器环(830)快速移动到在其中扩散器间隙(134)被充分限制的完全延伸位置，以允许容量控制和/或启动管理和/或停机管理而无需使用叶片，尤其无需使用预旋转叶片。2.根据权利要求1所述的可变几何形状扩散器(810)，其中所述容量控制和/或启动管理和/或停机管理包括：限制制冷剂流动通过扩散器间隙(134)以允许更大的深冷器下调；和/或在停机期间对通过扩散器间隙(134)的第一气流进行第一控制；和/或在启动期间对通过扩散器间隙(134)的第二气流进行第二控制。3.根据前述权利要求的任一项所述的可变几何形状扩散器(810)，其中所述扩散器环(830)能够尽可能靠近地朝向离心压缩机(100)的扩散器板(120)延伸，以提高容量控制的能力。4.根据前述的权利要求2-3中的任一项所述的可变几何形状扩散器(810)，其中所述扩散器环(830)的径向面积被减小，以减小施加在扩散器环(830)上的轴向力，该轴向力响应于通过扩散器间隙(134)的第一和/或第二气流的压力而产生。5.根据前述权利要求中的任一项所述的可变几何形状扩散器(810)，所述致动器(811)是线性致动器(811)。6.根据前述权利要求中的任一项所述的可变几何形状扩散器(810)，其中所述扩散器环(830)包括可延伸到所述扩散器间隙(134)中的第一凸缘(833)，以及大体垂直于所述第一凸缘(833)的第二凸缘(835)。7.根据前述权利要求中的任一项所述的可变几何形状扩散器(810)，其中所述可变几何形状扩散器(810)还包括控制器，其中所述控制器被配置为命令致动器(811)将扩散器环(830)移动到完全延伸位置或将扩散器环(830)缩回。8.根据权利要求7所述的可变几何形状扩散器(810)，其中所述控制器包括编...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·T·萨默，J·W·施雷柏，J·P·考夫曼，K·F·耐恩斯蒂尔，
申请(专利权)人：江森自控科技公司，
类型：发明
国别省市：美国,US