[发明专利]控制气体压缩系统容量的方法以及气体压缩系统

说明书

本申请是于2008年10月30日提交的名称为“控制系统”的发明专利申请200880114387.6的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2007年10月31日提交的、题为“VARIABLE GEOMETRY DIFFUSERS AS CAPACITY CONTROL”的美国临时申请No.60/984,073的优先权和权益，特此通过引用方式纳入该申请。

背景技术

本申请总体涉及用于具有一级或多级的离心式压缩机的容量控制系统。本申请更具体地涉及用于具有可变几何形状扩散器（VGD）的压缩机的容量控制系统。在制冷系统中，容量指的是冷却能力，而在其他气体压缩系统中，容量指的是体积流量。

之前，在用于冷却系统（诸如液体冷却器、制冷或暖通空调与制冷（HVAC&R））以及气体压缩的离心式压缩机中，需要预旋叶片（PRV）或入口导向叶片来控制冷却系统的冷却容量。在从蒸发器到压缩机的入口处，一个或多个PRV控制到达压缩机的制冷剂的流动。致动器用来打开PRV以增加到达压缩机的制冷剂的数量，从而增加系统的冷却容量。类似地，该致动器用来关闭PRV以减少到达压缩机的制冷剂的数量，从而减少系统的冷却容量。

VGD已用于控制在离心式压缩机的扩散器区域中的旋转失速。VGD的一个实施方案被描述在授予Nenstiel的美国专利No.6,872,050中，该专利已被转让给本发明的受让人并通过引用方式纳入本文。VGD延伸进离心式压缩机的扩散器通道中，直到测量信号的电平降低到预定阈值之下。结果是消除了失速并且相应降低内部声级和空气声级。在一段时间之后或者状态改变之后，扩散器间隙逐步或增量式地再次打开，直到测量信号的电平指示检测到失速状态。

失速状态和喘振状态是代表了压缩机的极端运行状态的不同物理现象。失速是在压缩机的一个或多个部件中的局部流动分离，其特征在于排放压力（discharge pressure）以小于叶轮的旋转频率的基频发生扰动。离心式压缩机中的旋转失速主要位于扩散器中，并且可使用VGD消除。相反，喘振在压缩气体系统中是系统广泛不稳定性。压缩机中的主流的方向被瞬间反向，喘振的进一步特征是更低的频率、大的压力波动。

VGD包括可移动以占据扩散器间隙的环，该扩散器间隙是用于压缩气体的出口流动通路。VGD可从收缩位置移动至延伸位置：在收缩位置中，所述环完全移出所述出口流动通路以允许最大气流；在延伸位置中，所述环占据出口流动通路的一部分，从而限制一部分气流。所述环是基于对离心式压缩机中失速状态的检测而运行的。可变几何形状扩散器与探测器或传感器结合使用，该探测器或传感器测量排放压力的交变分量以检测即将发生的失速。所测量的参数被传送至控制器，该控制器被编程以基于该测量参数检测逼近的失速。然后，该控制器确定何时有必要启动可变几何形状扩散器来消除失速并从而避免喘振。因此，可变几何形状扩散器已具有如避免失速、避免喘振，以及消减伴随这些状态的噪声等优点。

作为在离心式压缩机内的扩散器系统的一部分，存在许多种选择来恢复在旋转叶轮下游的静压。扩散器负责主要减少制冷剂速度的切向分量，其次，减少制冷剂速度的径向分量。随着制冷剂速度的减少，静压增加。主要目的——其中性能是关键的——在于以最小的总压力损失恢复静压。

离心式压缩机中的传统扩散器包括无叶片型、叶片型（螺旋桨形、楔形、高密度或低密度）、管道型、隧道型以及通道型，或者这些类型的组合。每种类型的扩散器都各有优点和缺点。例如，无叶片型扩散器包括两个壁，其在叶轮的高压侧没有叶片。无叶片型扩散器内的静压恢复是作为进入速度状态和在整个扩散器内的半径比及宽度之间的已知关系的结果。

各种各样的方法已被单独或组合地应用于容量控制，包括在叶轮的低压侧的PRV（也称为入口导向叶片、预旋流叶片等）、变速驱动装置、热气旁路、可变扩散器叶片以及吸入节流阀（suction throttle valve）。这些容量控制方法中的每种都存在优点和局限。最通常使用的容量控制方法包括PRV、热气旁路和变速驱动装置。

发明内容