本申請是申請日為2013年11月4日、國際申請?zhí)枮閜ct/us2013/068279、國家申請?zhí)枮?01380007484.6、發(fā)明名稱為“具有延伸行程的可變幾何形狀擴散器及其控制方法”的發(fā)明專利申請的分案申請。

相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求享有2012年11月9日提交的、名稱為“variablegeometrydiffuserhavingextendedtravel”的美國臨時申請no.61/724,684的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益。

本發(fā)明涉及離心壓縮機，且更具體地涉及一種改進的可變幾何形狀擴散器機構(gòu)，其允許在離心壓縮機的包含啟動和停機的完整運行范圍內(nèi)改進控制。

背景技術(shù)：

離心壓縮機在多種要求壓縮流體的設(shè)備(諸如，深冷器)中是有用的。壓縮機通過使流體經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的葉輪而運行。葉輪對流體作用以增加流體的壓力。因為葉輪的運行在流動中創(chuàng)建了逆向壓力梯度，所以某些壓縮機設(shè)計包含被定位在葉輪出口處的可變幾何形狀擴散器，以在失速(stall)事件期間將流體流動穩(wěn)定化，從而減輕失速。當(dāng)制冷劑流動減小、同時跨過葉輪的壓力差被維持時，導(dǎo)致失速。失速不期望地產(chǎn)生了噪聲，導(dǎo)致振動并且降低壓縮機的效率。

由于失速狀態(tài)僅在非常小百分比的壓縮機運行時間中存在，因此可變幾何形狀擴散器的運行類似地被限制，以使得磨損和撕裂、載荷以及其它影響擴散器機構(gòu)的總體壽命完整性的效用(function)被限制。然而，增加可變幾何形狀擴散器機構(gòu)的使用將顯著地影響擴散器機構(gòu)的總體可靠性和壽命。

nenstiel于2005年3月29日提交的美國專利號6,872,050(‘050專利)中闡述了一種現(xiàn)行的擴散器設(shè)計。該‘050專利公開了一種在壓縮機運行期間被打開和被閉合的可變幾何形狀擴散器，其制造便宜、組裝容易、修理或更換簡便，且響應(yīng)于初期失速狀態(tài)提供強制嚙合(positiveengagement)用于響應(yīng)于來自控制器的信號或命令而確定位置。

‘050專利的可變幾何形狀擴散器設(shè)計利用了一個擴散器環(huán)，該擴散器環(huán)是在第一縮回位置與第二延伸位置之間可移動的，在該第一縮回位置中經(jīng)過擴散器間隙的流動是無障礙的，而在該第二延伸位置中該擴散器環(huán)響應(yīng)于檢測到失速而延伸到該擴散器間隙中以改變經(jīng)過該擴散器間隙的流體流動。這是通過延伸該擴散器環(huán)大體跨過該擴散器間隙以改變流體流動來實現(xiàn)的。可以通過延伸該擴散器環(huán)跨過該擴散器間隙的大約75％來實現(xiàn)該減輕。該擴散器環(huán)由驅(qū)動環(huán)驅(qū)動，該驅(qū)動環(huán)是從對應(yīng)于該擴散器環(huán)的第一縮回位置的第一位置、對應(yīng)于該擴散器環(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的。該第二位置是在該擴散器間隙的大約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)動環(huán)進而被安裝到支持塊，且驅(qū)動環(huán)相對于支持塊可旋轉(zhuǎn)移動，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的葉輪鄰近的殼體。雖然在壓縮機運行期間，當(dāng)該擴散器環(huán)處于其第二延伸位置時，該可變幾何形狀擴散器設(shè)計在改變經(jīng)過該擴散器間隙的流動方面是有效的，但是在壓縮機停機期間，該擴散器環(huán)不足以阻塞流動以阻止壓縮機逆轉(zhuǎn)和相關(guān)聯(lián)的瞬態(tài)載荷也不足以當(dāng)該壓縮機從低載荷和低速度斜坡上升到高速度時避免在啟動期間的瞬態(tài)喘振和失速。該可變幾何形狀擴散器的使用由于在總體環(huán)面積上的壓力差而在該擴散器環(huán)上生成載荷。當(dāng)該環(huán)處于其縮回位置時，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)移動到其延伸位置進入該擴散器間隙時，高速度氣體經(jīng)過該擴散器環(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?？梢杂嬎阍谠摥h(huán)上以及在該可變幾何形狀擴散器機構(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散器包含相對大的擴散器環(huán)，其運行必須克服相當(dāng)大的力，且其在運行中必須承受相當(dāng)大的力。因此，所述機構(gòu)是相當(dāng)大的，且為克服這些力以運行這些機構(gòu)所要求的能量同樣是相當(dāng)大的。然而，因為僅在小百分比的壓縮機總體壽命期間內(nèi)嚙合該可變幾何形狀擴散器，所以該可變幾何形狀擴散器經(jīng)受的載荷、磨損以及撕裂是可接受的。

期望增加該可變幾何形狀擴散器環(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、喘振控制、改進的下調(diào)(turndown)、壓縮機逆轉(zhuǎn)最小化和壓縮機停機期間的相關(guān)聯(lián)的瞬態(tài)載荷以及用于對啟動瞬態(tài)的最小化。由于這樣的可變幾何形狀擴散器的增加的使用，要求改進的設(shè)備向整個離心機運行提供期望的控制增強，同時向經(jīng)受增加的使用的該可變幾何形狀擴散器提供長壽命。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種可變幾何形狀擴散器(vgd)機構(gòu)。該vgd機構(gòu)包含擴散器環(huán)，該擴散器環(huán)如對vgd機構(gòu)預(yù)期的而延伸到減輕失速的擴散器間隙中。然而，與現(xiàn)有技術(shù)的vgd機構(gòu)相比，本發(fā)明的vgd機構(gòu)延伸到該擴散器間隙中更遠，以使得本發(fā)明的vgd機構(gòu)可以被用來控制其他運行效用。因此，該vgd機構(gòu)可以被用來通過防止在壓縮機停機期間制冷劑氣體反向流動經(jīng)過該擴散器間隙，來最小化在壓縮機停機期間的壓縮器逆轉(zhuǎn)以及相關(guān)聯(lián)的瞬態(tài)載荷。因為通過該擴散器環(huán)的完全延伸大體阻塞了該擴散器間隙，所以防止了制冷劑氣體的反向流動。該vgd機構(gòu)還提供了更好的且更有效的壓縮機下調(diào)(turn-down)，減少了在低冷卻容量運行期間將大量熱氣體旁路的需要。在啟動期間，因為該可變幾何形狀擴散器環(huán)可以被定位以阻止氣體隨著載荷和葉輪速度增加流動經(jīng)過該擴散器間隙，所以也可以有效地消除瞬態(tài)喘振和失速，從而減輕了在低速度時由啟動載荷導(dǎo)致的問題。本發(fā)明的vgd機構(gòu)也可以被用于容量控制，以便實現(xiàn)更有效的在低載荷時的下調(diào)。

雖然在某些狀態(tài)下，在正常運行期間，該擴散器環(huán)延伸跨過該擴散器間隙以適應(yīng)通過該擴散器間隙的減少的氣體流動，但是由于隨著該葉輪在啟動期間關(guān)于速度斜坡上升或在停機期間該葉輪的速度降低，該氣體流動被顯著降低，因此在停機和啟動期間該擴散器環(huán)必須大體完全延伸跨過該擴散器間隙。該擴散器環(huán)的外邊緣包括凸緣，該凸緣當(dāng)完全延伸跨過該擴散器間隙時大體阻止氣體流動經(jīng)過該擴散器間隙。該擴散器環(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)該擴散器環(huán)被延伸到該擴散器間隙中時，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)上的整個軸向力是該環(huán)的第一側(cè)面與該環(huán)的對置的第二側(cè)面之間的氣體壓力差乘以該環(huán)的徑向面面積。可以通過減少該環(huán)的面積來使該環(huán)上的軸向力最小化。通過減少該環(huán)延伸到該擴散器間隙中的徑向?qū)挾龋摥h(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且會遭受運行故障。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)的厚度是相對的，該關(guān)系取決于幾個因素，最重要的是作用在該擴散器環(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力，特別是在停機期間葉輪從運行速度變慢時或在啟動期間葉輪斜坡上升到運行速度時。具有較大葉輪的較大壓縮機將會生成較高的流動力并且經(jīng)受較高的載荷，要求較厚的環(huán)。但是，不管壓縮機的尺寸，減小該環(huán)上的軸向力減小了運行該vgd機構(gòu)所必須的力。

該環(huán)上的作為結(jié)果的軸向載荷最終被傳送到致動器機構(gòu)。本發(fā)明的致動器機構(gòu)包括的改進允許它在無油環(huán)境中運行，盡管其運行并非僅受限于此。該致動器機構(gòu)還被修改，以使得可以監(jiān)測該擴散器環(huán)相對于殼體的對置的內(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)的凸輪軌道機構(gòu)也被修改，以使得可以在任意時間確定該環(huán)在該擴散器間隙中的位置。

不僅該環(huán)必須足夠厚以在該壓縮機的壽命內(nèi)應(yīng)付徑向載荷，而且該環(huán)還必須與對置的殼體接界，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，使閉合的擴散器環(huán)的目的失效，沒有減少與容量控制、喘振(它發(fā)生在停機和啟動期間)以及與該改進的vgd機構(gòu)相關(guān)聯(lián)的運行改進相關(guān)的問題。盡管在停機和啟動期間消除在擴散器環(huán)周圍的這樣的泄漏不是現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計的強制要求，為了使之有效，本發(fā)明的擴散器環(huán)和對置的殼體的內(nèi)部面必須具有周密控制的匹配表面，以使得可以在一定范圍的狀態(tài)內(nèi)實現(xiàn)該vgd機構(gòu)的適當(dāng)運行。

因此，在本發(fā)明中，為了影響對經(jīng)過該擴散器間隙的氣體流動的控制，該vgd機構(gòu)要求延伸該擴散器環(huán)的到該擴散器間隙中的行程的物理改變。除了延伸該擴散器環(huán)的長度到該擴散器間隙中以允許大體充分閉合擴散器間隙之外，響應(yīng)于壓力將該擴散器環(huán)的徑向面積減小以減小在該環(huán)上的軸向力。另外，通過包含傳感器，控制器現(xiàn)在可以精確地監(jiān)測該擴散器環(huán)的位置，且引導(dǎo)該致動器機構(gòu)以響應(yīng)于壓縮機運行狀態(tài)在完全打開的位置與完全閉合的位置之間精確地移動該擴散器環(huán)。較快作用機構(gòu)(fasteractingmechanism)可以被用來實現(xiàn)對該環(huán)位置的更好的控制且對深冷器系統(tǒng)瞬態(tài)(諸如，用跨過該壓縮機的壓力差啟動，或電力故障停機)作應(yīng)答。

本發(fā)明的改進的可變幾何形狀擴散器的附加的益處是消除了對用于容量控制和啟動管理的預(yù)旋轉(zhuǎn)葉片的需要。預(yù)旋轉(zhuǎn)葉片和它們的機構(gòu)是復(fù)雜的、昂貴的、且要求它們自己的驅(qū)動機構(gòu)和控制。

從下面結(jié)合附圖對優(yōu)選實施方案的更詳細的描述中，將明了本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點；所述附圖以實施例的方式例示了本發(fā)明的原理。

附圖說明

圖1是在利用了可移動擴散器環(huán)的離心壓縮機中的現(xiàn)有技術(shù)的可變幾何形狀擴散器的橫截面視圖。

圖2提供了現(xiàn)有技術(shù)的擴散器環(huán)的立體視圖。

圖3是本發(fā)明的可變幾何形狀擴散器的橫截面視圖。

圖4是本發(fā)明的擴散器環(huán)的俯視圖。

圖5是示出了在本發(fā)明的擴散器環(huán)上的載荷分布的橫截面視圖。

圖6總體描繪了可變幾何形狀擴散器的驅(qū)動環(huán)運行。

圖7描繪了本發(fā)明的驅(qū)動環(huán)的線性致動器的安排。

圖8描繪了在本發(fā)明的驅(qū)動環(huán)的圓周中的凸輪軌道。

圖9描繪了在現(xiàn)有技術(shù)的驅(qū)動環(huán)的圓周中的凸輪軌道。

具體實施方式

本發(fā)明闡述了一種用于離心壓縮機的改進的vgd機構(gòu)。圖1以橫截面圖總體描繪了現(xiàn)有技術(shù)的可變?nèi)萘康碾x心壓縮機100，其利用具有可移動的擴散器環(huán)130的vgd機構(gòu)來控制流體經(jīng)過擴散器間隙134的流動，諸如美國專利號6,872,050中公開的，該專利已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人且以引用的方式整體納入本文。圖1總體表示當(dāng)前最先進的可變?nèi)萘康碾x心壓縮機。

如圖1中例示的，壓縮機100包含：擴散器板120，如所示，擴散器板120與該壓縮機殼體成整體；葉輪122；以及噴嘴基板126。擴散器環(huán)130是可變幾何形狀擴散器110的一部分，擴散器環(huán)130被組裝到凹槽132中且被安裝到驅(qū)動銷140上，凹槽132被機械加工到噴嘴基板126中。在圖1的橫截面圖中還示出了凸輪從動件200，其插入到凸輪軌道262中，凸輪軌道262位于驅(qū)動環(huán)250中。凸輪從動件200連接到驅(qū)動銷140。如在’050專利中充分討論的，這些機構(gòu)將驅(qū)動環(huán)250的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成擴散器環(huán)130的軸向運動。內(nèi)圓周凹槽260支持軸向軸承(未示出)，當(dāng)驅(qū)動環(huán)250旋轉(zhuǎn)時，該軸向軸承抵抗驅(qū)動環(huán)250的軸向運動。

擴散器環(huán)130可移動遠離凹槽132且進入擴散器間隙134中，擴散器間隙134將擴散器板120和噴嘴基板126分開。制冷劑經(jīng)過擴散器間隙134，擴散器間隙134是在葉輪122與蝸殼(未示出)之間的中間，該蝸殼接收離開擴散器110的制冷劑。制冷劑可通過該蝸殼到附加的壓縮級或到冷凝器(也未示出)。在完全縮回位置，擴散器環(huán)130被嵌套在噴嘴基板126中的凹槽132內(nèi)，且擴散器間隙134處于允許制冷劑最大流動的狀態(tài)下。在完全延伸位置，擴散器環(huán)130延伸跨過擴散器間隙134，這減小了用于制冷劑通過擴散器間隙134的空隙。擴散器環(huán)130可以被移動到該縮回位置和延伸位置中間的任何位置。

葉輪122的旋轉(zhuǎn)對流體(通常是制冷劑，在葉輪入口124處進入)做功從而增加該流體的壓力。如本領(lǐng)域公知的，當(dāng)較高速度的制冷劑被引導(dǎo)向蝸殼且最終被引導(dǎo)向壓縮機出口時，該較高速度的制冷劑退出該葉輪并且通過擴散器間隙134。擴散器110包括擴散器板120、噴嘴基板126、和形成在擴散器板120與噴嘴基板126之間的擴散器間隙134、以及被用于調(diào)整擴散器間隙134的擴散器環(huán)130，擴散器110減小了來自葉輪122的制冷劑的速度從而增加了該制冷劑在該擴散器出口處的壓力。

如果壓縮機流動速率減小以適應(yīng)例如對深冷器的冷卻需要的減少，且在跨過葉輪122兩側(cè)維持相同的壓力，則退出葉輪122的流體流動可以變得不穩(wěn)定且可能交替地前后流動，以產(chǎn)生上文所討論的失速狀態(tài)和/或喘振狀態(tài)。響應(yīng)于較低的制冷劑流動，為防止喘振狀態(tài)形成，擴散器間隙134被減少以減小葉輪出口處的面積并使流體流動穩(wěn)定。可以通過將擴散環(huán)130移動到間隙134中以通過在凹槽132中移動擴散器環(huán)來減小間隙134的橫截面積或增加間隙134的橫截面積來改變擴散器間隙134。然而，因為被用于驅(qū)動擴散器環(huán)130的機構(gòu)，擴散器環(huán)在間隙134中的確切位置未知，除了在該擴散器環(huán)的極限位置處，即，當(dāng)完全延伸或完全縮回時。此外，因為在‘050專利的發(fā)明中擴散器環(huán)和擴散器板的幾何形狀未被周密地控制，即使當(dāng)擴散器環(huán)130被完全延伸時，允許通過該擴散器環(huán)的泄露的間隙可能仍然存在。在‘050專利的圖6和7中闡述了現(xiàn)有技術(shù)的擴散器環(huán)130?！?50專利的圖6被復(fù)制在此作為圖2。在‘050專利中充分描述了所述特征，其中150是擴散器環(huán)130的第一面，152是擴散器環(huán)130的另一面，154是擴散器環(huán)130的內(nèi)圓周壁，156是擴散器環(huán)130的外圓周壁，且158是被用于將該擴散器環(huán)組裝到匹配零件以便于其運動的孔。然而，由于‘050專利的vgd機構(gòu)被用于控制基于相關(guān)噪聲和振動的失速，因此出于其期望的目的，該配置是可接受的，但是其用于其他效用的用途被限制。

現(xiàn)在將進一步參照附圖詳細描述本發(fā)明的改進的可變幾何形狀擴散器(vgd)機構(gòu)。本發(fā)明的vgd機構(gòu)還執(zhí)行除了控制旋轉(zhuǎn)失速以外的效用，且因此要求不同的配置以及不同的控制機構(gòu)。

在圖3中闡述了本發(fā)明的vgd機構(gòu)810。它具有許多與先前的vgd相似之處；然而，它還具有顯著的不同，這些不同可以影響壓縮機的運行。本發(fā)明的擴散器環(huán)830具有與現(xiàn)有技術(shù)的擴散器環(huán)130不同的橫截面輪廓。擴散器環(huán)130在圖2中的立體視圖中示出，且具有矩形橫截面。相比之下，本發(fā)明的擴散器環(huán)830具有l(wèi)形橫截面，如圖3和圖4的橫截面圖中示出的。擴散器環(huán)830包含一對大體正交的凸緣：可延伸到擴散器間隙134內(nèi)的第一凸緣833；以及大體垂直于第一凸緣的第二凸緣835，第二凸緣835大體平行于該擴散器間隙和氣體流動的方向延伸。大體正交的凸緣意味著凸緣彼此在包含90°±15°的范圍內(nèi)延伸，其中正交的凸緣彼此成90°延伸。第二凸緣大體平行于該擴散器間隙和氣體流動的方向延伸，意味著正交的凸緣在包含0°±15°的范圍內(nèi)延伸，其中0°是平行。當(dāng)擴散器環(huán)830被組裝到該壓縮機中作為vgd機構(gòu)810的一個元件時，第一凸緣833朝向擴散器板120的對置的面延伸。注意，與現(xiàn)有技術(shù)的擴散器環(huán)130相比，第一凸緣833提供擴散器環(huán)830有更遠地延伸到擴散器間隙134內(nèi)能力，因為凸緣833在軸向方向上提供了延伸尺度，即，延伸到擴散器間隙134中。擴散器環(huán)830上的軸向力是在第一凸緣833兩側(cè)的壓力差導(dǎo)致的。當(dāng)擴散器環(huán)833被完全縮回時，該軸向力在其最小值，由于沒有壓力差存在。然而，當(dāng)?shù)谝煌咕?33被延伸到擴散器間隙134中時，高速度氣體經(jīng)過該環(huán)的第一凸緣833的面，創(chuàng)建了低壓力區(qū)域。噴嘴極板126的凹槽中的較高壓力氣體向第二凸緣835施加壓力。環(huán)830上的以及該機構(gòu)上的力(該力導(dǎo)致該環(huán)移動到擴散器間隙134和移動離開擴散器間隙134)是氣體壓力的差乘以擴散器凸緣833的面面積，如先前所討論的。

通過減小第一凸緣833的總體徑向厚度來減小環(huán)830上的軸向力，當(dāng)?shù)谝煌咕?33被延伸時，第一凸緣833是延伸到擴散器間隙134中的擴散器環(huán)830的一部分，第一凸緣的徑向厚度垂直于擴散器間隙134中氣體流動的方向。參照圖3和擴散器環(huán)830，與現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計的擴散器環(huán)130相比較，第一凸緣833突出到擴散器間隙134中的面積被減小。第一凸緣833的徑向厚度已經(jīng)被減小大約2/3，從而成比例地減小了擴散器上的載荷，即，減小大約2/3，由于載荷與第一凸緣833在擴散器間隙內(nèi)的面面積成比例。

第一凸緣833的徑向厚度的減小，減小了可用于附接致動裝置的空間，該致動裝置將擴散器環(huán)830從其縮回位置移動到其延伸位置。第二凸緣835被設(shè)置以允許這樣的附接，如圖3中所示出的。第二凸緣835駐留在噴嘴基板中的凹槽837中，在凹槽837中移動的第二凸緣835允許擴散器環(huán)凸緣833移動進入擴散器間隙134中或移動離開擴散器間隙134。噴嘴基板126中的凹槽837還被要求以允許將擴散器環(huán)830組裝到該vgd機構(gòu)。第二凸緣835周圍的大徑向間隙允許高壓力氣體，該高壓力氣體進入凹槽837，以使第二凸緣835的每側(cè)上相等，從而不貢獻與擴散器環(huán)830上的氣體壓力關(guān)聯(lián)的載荷。因此，當(dāng)?shù)谝煌咕?33延伸到擴散器間隙134中時，擴散器環(huán)830上的總體壓力載荷是作用在第一凸緣833的暴露的位置的面積上的制冷器的壓力?？梢苿拥母采w板839被組裝到噴嘴基板126且被提供以利于該擴散器環(huán)驅(qū)動機構(gòu)的組裝。當(dāng)制冷劑氣體流動到壓縮機排放口時，覆蓋板839為制冷劑氣體的流動提供平滑的、流線型的表面，減小了此區(qū)域中的湍流的可能性。

在形成凸緣833期間，必須周密地提供具有預(yù)選的徑向厚度的凸緣833。如圖5中所描繪的，圖5示出了組裝到噴嘴基板126的擴散器環(huán)830的橫截面，當(dāng)擴散器環(huán)830被延伸到擴散器間隙134中時，高壓力制冷劑沖擊第一凸緣833，如由制冷劑流動863所指示的。圖5指示第一凸緣833上的徑向壓力。確定凸緣833的徑向厚度時將考慮的另一個因素是被暴露到相當(dāng)大壓力波動的擴散器環(huán)833的疲勞壽命。此外，在本發(fā)明中，為了vgd機構(gòu)增加其容量控制能力、改進下調(diào)能力、喘振控制、以及啟動和停機時壓縮機瞬態(tài)載荷最小化的能力，擴散器環(huán)830必須盡可能緊密地延伸到擴散器板120。為了盡可能的減小該間隙，擴散器板120具有周密地受控的尺度，從而在凸緣833的面以及匹配擴散器板120的面的平整度方面，凸緣833必須具有周密地受控的容差設(shè)定(tolerancing)。如果凸緣太薄，則它可能不能夠?qū)⑦@些幾何形狀特征維持在期望的容差(tolerance)內(nèi)，如機構(gòu)(諸如，回彈)可能發(fā)生，其可以不利地影響容差。從容差偏離將增加凸緣周圍且經(jīng)過該擴散器間隙的泄漏，從而防止該vgd機構(gòu)被有效的用于容量控制、下調(diào)、在啟動和停機以及喘振期間的瞬態(tài)控制，盡管該vgd機構(gòu)可以保持在失速減輕中使用的能力。如可以看到的，擴散器環(huán)830且尤其擴散器環(huán)凸緣833理想地必須具有盡可能小凸緣厚度，以使作用在它上的力最小，但必須具有足夠的厚度以避免在制造期間的回彈且滿足運行期間的疲勞同時抵抗向它施加的力。

對于該可移動的擴散環(huán)的運行的一個重要方面在于維持幾何形狀容差，以便當(dāng)擴散器環(huán)830被完全縮回時，使擴散器環(huán)830周圍且經(jīng)過擴散器間隙134的泄漏最小。具有較高制冷劑容量的壓縮機可以要求對凸緣厚度的另外的增加，以適應(yīng)在較寬的擴散器寬度內(nèi)的較高的壓力，以滿足上文引用的相互矛盾的設(shè)計要求。

其他考慮也影響本發(fā)明的可變幾何形狀擴散器機構(gòu)的總體設(shè)計。近期壓縮機設(shè)計利用電磁軸承而不是先前設(shè)計中通常使用的機械軸承。利用電磁軸承的壓縮機避免了油的使用。然而，利用機械軸承的壓縮機中的某些油有助于潤滑致動器機構(gòu)，該致動器機構(gòu)被用于將現(xiàn)有設(shè)計中的擴散器環(huán)130在擴散器間隙134中從縮回位置移動到延伸位置。

本發(fā)明的可變幾何形狀的擴散器810還利用改進的機構(gòu)設(shè)計，該改進的機構(gòu)設(shè)計在采用具有標(biāo)準(zhǔn)潤滑的機械軸承的常規(guī)離心壓縮機中，或在大體無潤滑的環(huán)境中利用電磁軸承的離心壓縮機是可操作的。通常，在圖6中描繪了移動擴散器環(huán)830的機構(gòu)且該機構(gòu)包含驅(qū)動銷140，該驅(qū)動銷在凸輪軌道862中行進。驅(qū)動銷140將第二凸緣835連接到驅(qū)動環(huán)850，以便驅(qū)動環(huán)850的旋轉(zhuǎn)運動導(dǎo)致擴散器環(huán)830從擴散器間隙134中的可逆的縮回位置到可逆的延伸位置的平移運動。驅(qū)動環(huán)850對應(yīng)于圖1中的驅(qū)動環(huán)250。驅(qū)動銷140到本發(fā)明的可變幾何形狀擴散器810的凸輪從動件200的安排也與現(xiàn)有技術(shù)的擴散器110的安排完全相同，如圖1中示出的。當(dāng)驅(qū)動銷140在凸輪軌道862中移動時，被附接到驅(qū)動銷140的凸輪從動件220遵循驅(qū)動環(huán)850中的凸輪軌道862。除了在圖9中最佳地示出的驅(qū)動環(huán)250的凸輪軌道幾何形狀262與在圖6和8中示出的驅(qū)動環(huán)850的凸輪軌道幾何形狀862的重要差異之外，本發(fā)明的驅(qū)動環(huán)850與圖1的驅(qū)動環(huán)250完全相同。驅(qū)動環(huán)850到擴散器環(huán)830的附接與驅(qū)動環(huán)250到驅(qū)動器環(huán)230的附接完全相同，除了驅(qū)動銷140到各個擴散器環(huán)130和830的連接點之外。本發(fā)明的擴散器環(huán)830具有凸緣形狀配置且驅(qū)動銷140連接到擴散器環(huán)830的第二凸緣835。當(dāng)然，驅(qū)動器環(huán)130中不存在第二凸緣830，因為它是一個簡單的圓柱形環(huán)，如圖1中的橫截面中所示出的。

現(xiàn)在參照圖7，本發(fā)明的致動器811與控制器結(jié)合運行，以使得其運行可以被編程。致動器811是線性致動器且包含驅(qū)動桿896，驅(qū)動桿896被附接到驅(qū)動馬達898。驅(qū)動桿896被直接附接到操縱桿901，操縱桿901被附接到驅(qū)動環(huán)850。驅(qū)動桿896的線性運動進而轉(zhuǎn)動驅(qū)動環(huán)850。

現(xiàn)在參照圖8,位于驅(qū)動環(huán)850的外圓周表面252上的凸輪軌道862具有預(yù)選的寬度和深度，以接受凸輪從動件200。通常，有三個凸輪軌道862，它們位于驅(qū)動環(huán)850的圓周表面252中，盡管圖8中僅示出了一個。凸輪軌道862從驅(qū)動環(huán)250的底部表面258朝向驅(qū)動環(huán)850的頂部表面256延伸，在這些表面之間以一個角度延伸，且優(yōu)選地沿著一條大體直線。凸輪軌道862的形狀現(xiàn)在是具有預(yù)選的大體線性斜率的斜坡，如與圖9中示出的在該斜坡的每端處具有扁平部267和269的現(xiàn)有技術(shù)的凸輪軌道262的區(qū)別。現(xiàn)有技術(shù)的扁平部導(dǎo)致原始阻尼馬達的不精確的定位和行進能力且以適應(yīng)該機構(gòu)在完全縮回位置處的調(diào)整。所述扁平部防止對該機構(gòu)的損害，因為所述凸緣消除了在每個行進極限處卡住的可能性，從而不精確定位不是現(xiàn)有技術(shù)的凸輪軌道的運行和能力中的因素。

與之相反，致動器811(一個實施方案中的線性致動器)與線性凸輪軌道862結(jié)合運行，以控制驅(qū)動環(huán)850，它進而將擴散器環(huán)830定位在擴散器間隙134中，致動器811提供了較快的動作、可變的速度、定位精確度和第一凸緣833在擴散器間隙134中的位置定位的準(zhǔn)確的反饋。本發(fā)明的系統(tǒng)允許擴散器環(huán)830相對于擴散器間隙134在擴散器環(huán)830的極限處的預(yù)備修正，允許擴散器環(huán)830不僅僅是被用于失速減輕。當(dāng)然，致動器的桿(lever)和聯(lián)動裝置(linkage)與附接到驅(qū)動環(huán)250的操縱桿901之間的連接的簡化提供另一些優(yōu)點。

在本發(fā)明的vgd機構(gòu)810最初設(shè)定期間，或每當(dāng)期望后續(xù)校準(zhǔn)時，該致動器僅運行以旋轉(zhuǎn)驅(qū)動環(huán)250，將凸輪從動件200從凸輪軌道862中的行程的一端朝向凸輪軌道862中的軌道的相對端移動?？梢允褂媚軌蛲瓿稍撊蝿?wù)的任何致動器或馬達，盡管優(yōu)選地是使凸輪從動件200在凸輪軌道862中快速移動的設(shè)備。雖然旋轉(zhuǎn)致動器是可以使用的一個變體，但是線性致動器是優(yōu)選的。在凸輪軌道862的每端處的行程端對應(yīng)于第一凸緣833的完全延伸位置和第一凸緣833的完全縮回位置。擴散器間隙134在第一凸緣833處的最大尺度(它是擴散器板120到覆蓋板839的外表面之間的距離)是已知的距離，可以基于制造和組裝來確定或測量該距離?？刂破鞯木幊坦δ馨缦履芰Γ簝Υ婧捅４鏀U散器環(huán)830的極限位置、擴散器間隙134在第一凸緣833處的最大尺度且具體地第一凸緣833相對于擴散器板120、覆蓋板839和致動器811的最大尺度，因此不僅所述極限位置是已知的，而且擴散器間隙134在任何時間的開口大小也是已知的(基于第一凸緣833的位置)，因此可以基于壓縮機100的運行狀態(tài)的改變快速地調(diào)整擴散器間隙134處的開口大小?？梢孕?zhǔn)擴散器環(huán)830在行程的極限處的位置，且在不使用附加的傳感器的前提下，可以確定擴散器環(huán)在這些極限內(nèi)的任意處的位置。來自該致動器的信號用作校準(zhǔn)程序的一部分，以及在校準(zhǔn)之后確定擴散器環(huán)830的位置。此外，如果作為擴散器環(huán)830的位置的精確度的問題在運行過程中出現(xiàn)，可以根據(jù)期望完成重新校準(zhǔn)。該編程功能允許致動器811以正常方式運行和移動驅(qū)動器環(huán)830，該運動基于壓縮機100的正常瞬態(tài)。然而，致動器811還可以以快速模式運行，這允許擴散器環(huán)830移動到完全延伸位置，如果檢測到即將發(fā)生的喘振和失速，則擴散器間隙134在該完全延伸位置中根據(jù)要求被完全縮回。如在此所使用的，充分限制的擴散器間隙134是這樣的，其中擴散環(huán)830被完全延伸，從而使得擴散器間隙134的開口大小在最小處。雖然當(dāng)擴散器環(huán)830處于完全延伸位置時，vgd機構(gòu)810的設(shè)計不提供100％的氣體密封，但是它確實提供超過現(xiàn)有技術(shù)的vgd機構(gòu)的實質(zhì)改進，當(dāng)擴散器環(huán)130處于完全延伸位置時，現(xiàn)有技術(shù)的vgd機構(gòu)僅提供擴散器間隙134的75％的減小。本發(fā)明的改進允許使泄漏最小化到這樣的程度——它不再影響深冷器控制下調(diào)或啟動以及停機喘振。因此，完全限制的擴散器間隙134和/或完全延伸的擴散器環(huán)130在效用上是一種不影響深冷器控制下調(diào)或啟動以及停機喘振的。

通過致動器811快速定位擴散器環(huán)830的能力還允許在正常運行期間對離心壓縮機的容量控制。此外，控制擴散器環(huán)830的定位以使得限制制冷劑通過擴散器間隙134的流動的能力，允許在需要使用熱制冷劑氣體旁路之前的較大的深冷下調(diào)。深冷器下調(diào)被定義為當(dāng)仍允許連續(xù)運行而不必將壓縮機停機時能夠通過壓縮機實現(xiàn)的最小容量。這是有利的，因為熱氣體旁路或其他類似的方式對于實現(xiàn)低壓縮機容量是相當(dāng)?shù)托实姆绞?，因為它要求用制冷劑流人為地加載該壓縮機。

通過致動器811對擴散器環(huán)830的快速定位還允許在停機期間對氣體流經(jīng)擴散器間隙134的迅速控制。深冷器的制冷劑循環(huán)要求機械功(壓縮器/馬達)產(chǎn)生制冷劑壓力上升且將制冷劑從蒸發(fā)狀態(tài)移動到冷凝狀態(tài)。在正?！败洝蓖C期間，壓縮機速度被以受控的方式減小，以允許使蒸發(fā)器和冷凝器殼中的壓力相等，從而在停機期間消除大瞬態(tài)或翻轉(zhuǎn)(upset)狀態(tài)。然而，當(dāng)該系統(tǒng)要求立即停機時，諸如，由于馬達失去電力(電力中斷、故障、安全性等)，沒有維持冷凝器殼中的高壓力的方式。用于使系統(tǒng)壓力平衡的唯一機構(gòu)是通過制冷劑從高壓冷凝器通過壓縮機到低壓蒸發(fā)器的回流。當(dāng)壓縮機沒有電力時，葉輪不期望地表現(xiàn)為渦輪，其中能量從冷凝器中的高壓力流體傳遞到壓縮機，此時制冷劑壓力均等化、流動到低壓力(蒸發(fā)器)側(cè)、使壓縮機葉輪向后(與設(shè)計意圖相反)旋轉(zhuǎn)。在失去電力的情況下，可以提供備用電池給致動器811供電，以確保vgd在停機下維持運行。此外，在停機期間，軸承載荷可能在它們的最高水平，如果逆轉(zhuǎn)，則喘振或失速發(fā)生。擴散器間隙134通過vgd機構(gòu)810的快速反應(yīng)閉合，避免了在停機時軸承穩(wěn)定性問題。它還釋放這些較高載荷中的一部分，因此可以使用較低載荷軸承，這也轉(zhuǎn)變成成本節(jié)省，因為這樣的軸承是較便宜的。閉合擴散器間隙134創(chuàng)建了對制冷劑通過壓縮機100回流的阻力。

擴散器環(huán)830通過致動器811的快速定位還允許在啟動期間對氣體流經(jīng)擴散器間隙134的控制。在啟動期間，如果水泵已經(jīng)以冷水流經(jīng)蒸發(fā)器而熱水流經(jīng)冷凝器的方式運行，則在壓縮機上可能已經(jīng)有相當(dāng)大的載荷。在該情況下，壓縮機可以經(jīng)過失速和喘振，直到它達到足夠的速度以克服該系統(tǒng)的壓力差。以閉合的vgd作為開始，能夠避免在這些狀態(tài)下的瞬態(tài)喘振。因此，在啟動之前，控制器可以自動地命令致動器811以將擴散器環(huán)830移動到完全延伸位置，閉合擴散器間隙134。該控制器然后可以命令致動器811基于感測的狀態(tài)(諸如，感測的壓力或壓縮機速度)將擴散器環(huán)830(如果期望的根據(jù)編程的算法)從其完全延伸位置縮回。

與先前設(shè)計相比，該可變幾何形狀擴散器的組裝的大部分可以維持未改變。然而，在本發(fā)明中，設(shè)計被修改以至于在正常壓縮機運行期間在任意時間擴散器環(huán)830相對于擴散器板120的精確位置是已知的，這允許擴散器間隙134的精確開口大小在任意時間是已知的。這是用不要求或利用附加工藝潤滑的機構(gòu)實現(xiàn)的。本發(fā)明的vgd機構(gòu)810(不像現(xiàn)有技術(shù)的vgd機構(gòu))優(yōu)選地可以被用在無油壓縮機(諸如，利用電磁軸承的那些壓縮機)中。然而，它也可以被用在利用油潤滑的壓縮機中。

精確地定位擴散器環(huán)830的能力允許在壓縮機運行期間基于壓縮機需求和/或輸出(例如，深冷器冷卻載荷，以及冷凝器與蒸發(fā)器之間的壓力差)對擴散器間隙進行精細調(diào)整，且在校準(zhǔn)程序期間這些精細調(diào)整可以被編程到控制器中且被儲存在該控制器中。例如，當(dāng)受制約的空間中的溫度變化時，擴散器間隙134可以被修改以對應(yīng)于對深冷器的冷卻需求，該溫度變化對應(yīng)于壓縮機需求?？梢詫嚎s機的需求與實際壓縮機輸出進行比較。因此，如果需求稍微增加，諸如，以稍微冷卻該空間或以將該空間維持在一定溫度下(當(dāng)外部溫度增加時)，以及如果需求要求壓縮機輸出稍微增加，則擴散器間隙134可以被稍微增加。如果需求急劇增加，諸如，通過顯著降低該空間中的溫度的需求，以及壓縮機輸出要求有相應(yīng)的大的增加時，則擴散器間隙134可以被完全打開，以適應(yīng)增加的制冷劑流動。擴散器環(huán)830的位置，且因此擴散器間隙134的開口大小，可以被校準(zhǔn)且校準(zhǔn)結(jié)果可以被儲存在控制器中。因此，當(dāng)壓縮機需求是100％時，當(dāng)擴散器環(huán)830被完全縮回時，擴散器間隙可以被完全打開。當(dāng)擴散器環(huán)凸緣833完全縮回在凹槽832內(nèi)時，完全縮回的擴散器環(huán)830出現(xiàn)。當(dāng)擴散器凸緣833完全延伸進入擴散器間隙134時，諸如在壓縮器停機時，完全延伸的擴散器環(huán)830出現(xiàn)。這兩個狀態(tài)表示壓縮機運行的極限。

如所提及，可以使用擴散器環(huán)830在這些極限位置處的位置和來自致動器的確定擴散器環(huán)830的在這些極限位置之間的位置的信號來編程該控制器。此外，運行狀態(tài)可以被關(guān)聯(lián)到擴散器環(huán)的位置。因此，該控制器可以被編程，以在例如離開蒸發(fā)器的水溫度(冷卻載荷)下“獲悉”擴散器環(huán)的位置。該系統(tǒng)的其他正常地監(jiān)測和感測的狀態(tài)也可以被關(guān)聯(lián)到擴散器環(huán)830的位置以及致動器。此外，優(yōu)選地可以使用聲學(xué)傳感器來感測失速和喘振，盡管感測喘振和失速不限制于這樣的聲學(xué)傳感器的使用，且其他方法可以被利用，以用于確定何時喘振和失速即將來臨。當(dāng)然，在本發(fā)明中，由于控制器可以確定擴散器環(huán)830在任意時間的位置，該位置可以由控制器使用，以基于制冷器流動行為、壓縮機效率和對喘振或失速的檢測來移動擴散器環(huán)830，對于任何這些狀態(tài)的影響并非與擴散器環(huán)830的位置線性相關(guān)。

例如，在啟動時，當(dāng)壓縮機需求被節(jié)流到10％時，可以通過將擴散器環(huán)830從完全延伸(閉合)位置移動到第一預(yù)定位置來打開擴散器間隙134。應(yīng)注意，對于10％的壓縮機需求的變化，由于擴散器環(huán)運動的非線性影響，擴散器環(huán)830的運動將不會總是相同的。運動還取決于擴散器環(huán)830的初始位置和最終位置。類似地，當(dāng)壓縮機需求被要求在50％(從10％的上述需求增加了40％)時，可以通過將擴散器環(huán)830從第一預(yù)定位置定位到第二預(yù)定位置來進一步打開擴散器間隙134。以該方式，整個值的范圍可以被儲存在該控制器中，根據(jù)要求，以提供壓縮機的有效運行，且當(dāng)壓縮機負荷(duty)變化時，這些值可以被再調(diào)用(或被進一步估計)，且可以通過該控制器快速地定位擴散器環(huán)830，以實現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)運行狀態(tài)。

一旦檢測到有害事件的發(fā)生，例如，由聲學(xué)傳感器檢測到喘振或失速，或系統(tǒng)失去電力，控制器可以推翻(override)已編程的設(shè)置且快速地將擴散器環(huán)830延伸到擴散器間隙134中，以抑制(choke)制冷劑經(jīng)過擴散器間隙134的流動，直到失速或喘振被減輕。盡管還可以通過用傳感器監(jiān)測經(jīng)過擴散器810的制冷劑流動，來檢測喘振或失速，但是監(jiān)測喘振或失速的優(yōu)選的方式是通過聲學(xué)傳感器的使用，因為喘振或失速生成顯著的且不期望的噪聲，該聲學(xué)傳感器與該控制器通信。其他用于檢測喘振和失速的方法可以利用檢測喘振或失速的算法，諸如，2008年4月15日提交的、標(biāo)題為“systemandmethodforstabilitycontrolinacentrifugalcompressor”的美國專利no.7,356,999，2011年3月15日提交的、標(biāo)題為“controlsystem”美國專利no.7,905,102，2011年3月5日提交的、標(biāo)題為“methodfordetectingrotatingstallinacompressor”美國專利no.7,905,702所闡述的，利用在擴散器環(huán)下游的壓力換能器，以檢測和修正旋轉(zhuǎn)失速。這些專利已經(jīng)全部轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人且以引用的方式整體納入本文。在已經(jīng)修正喘振或失速之后，擴散器環(huán)830基于壓縮機需求的定位的已編程的運行可以通過控制器被儲存，如上文所討論的。

本發(fā)明的改進的可變幾何形狀的擴散器機構(gòu)的優(yōu)點包括可移動的l形凸緣833的使用，其減小了作用在該機構(gòu)上的力。該l形凸緣的重量可以比現(xiàn)有技術(shù)的可變幾何形狀的擴散器機構(gòu)中利用的可移動凸緣輕。見效的力和減小的重量提供了能夠較快反應(yīng)的vgd。它還允許較輕重量和較便宜的致動器的使用。此外，該改進的可變幾何形狀擴散器不僅完全閉合而且將被校準(zhǔn)以基于感測的系統(tǒng)狀態(tài)控制壓縮機運行的能力，允許該可變幾何形狀擴散器被用于容量控制以及用于喘振和失速減輕。該容量控制特征允許免除過去使用的預(yù)旋葉片(prv)。因此，盡管該改進的可變幾何形狀擴散器將被更多地使用，但是壓力較低，它將經(jīng)受較低的力和其較輕的重量，將導(dǎo)致減少磨損同時具有更長壽命，這進而將提供增加的可靠性。

盡管本發(fā)明已經(jīng)參照優(yōu)選實施方案進行了描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，在不偏離本發(fā)明的范圍的前提下，可以做出多種變化，并且等價物可代替其元件。此外，在不偏離本發(fā)明的基本范圍的前提下，可以進行許多改型，以使特定情況或材料適應(yīng)本發(fā)明的教導(dǎo)。因此，希望本發(fā)明不限制于公開的作為實施本發(fā)明的最佳方式的特定實施方案，而是本發(fā)明將包含落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有實施方案。