专利名称：涡轮压缩机及其容量控制方法
技术领域：
本发明涉及涡轮压缩机及其容量控制方法，特别是涉及使用入口可变引导叶片进行容量控制的涡轮压缩机及其容量控制方法。
背景技术：
涡轮压缩机中，为了防止在低风量区域发生的喘振，一般采用将设置于压缩机的吸入侧的入口可变引导叶片全开，将设置于压缩机吐出侧的放风阀全开，从负荷运转转移至无负荷运转的方法。在这种方法中，通过将吐出压力设成大气压，将相对于压缩机的吐出压力的吸入风量的特性移至发生喘振的领域之外。
在上述喘振回避方法中，在转移至无负荷运转时虽能够回避喘振但压缩机的动力消耗并没有大的降低。在此，降低压缩机的动力消耗的示例在日本特开平4-136498号公报中记载。在该公报中所记载的容量控制方法中，设置蓄气箱作为缓冲器使用，在消耗气体量降低时将该蓄气箱的压力设定值提高至容许的上限，降低无负荷运转时间的方法被记载。此时，在蓄气箱的压力变动的周期短时，将入口引导叶片的动作减少以防止喘动。
还有，使用低风压控制及负荷运转于无负荷运转的切换控制的压缩机的容量控制方法的其他例在日本特开平1-167498号公报中记载。在该公报中，与日本特开平4-136498号公报同样，在消耗气体量降低时使吐出压力的设定值上升。
发明内容
本发明的目的是提高容量控制的涡轮压缩机的信赖性。本发明其他的目的是使涡轮压缩机的维护周期加长。本发明的其他的目的是将涡轮压缩机的入口引导叶片装置长寿命化。而且，本发明将达成这些目的中的至少任何一个作为目的。
为了达成上述目的的本发明的特征是，在具有压缩机主体、入口向导叶片装置、开度可变的放风阀的涡轮压缩机中，该压缩机主体压缩作动流体，该入口向导叶片装置具有设置于该压缩机主体的吸入侧的多个向导叶片，该放风阀设置于压缩机主体的吐出侧，设置压力检测机构、记忆机构、及控制装置，该压力检测机构检测前述压缩机的吐出压力，该记忆机构至少记忆前述入口向导叶片装置的向导叶片开度在设定临界以下运转的时间和次数中的任一个，该控制机构根据该记忆机构所记忆的值控制前述放风阀和向导叶片。
而且在这个特征中，控制机构将向导叶片设为在设定临界以下的开度，当运转压缩机主体的时间或次数在规定值以下的情况下、压力传感器检测出的压力上升到设定压力以上时，将向导叶片开度全闭使其转移至无负荷运转地控制为宜，另外，控制机构将前述向导叶片设为临界以下的开度，当运转压缩机主体的时间或次数超过规定值时、压力传感器检测出的压力上升到设定压力以上时，将向导叶片开度设定在设定临界开度并控制放风阀的开度为宜。
为了达成上述目的的本发明其他的特征是，在使用入口向导叶片装置和放风阀进行容量控制的涡轮压缩机的容量控制方法中，在以压缩机的喘振临界以下的流量运转时，当该临界流量以下的运转时间或运转次数在规定值以下时，将入口向导叶片装置的向导叶片开度置于全开打开放风阀，当运转时间或运转次数的频度超过规定值时，将入口向导叶片装置的向导叶片开度设为设定临界值、对应该涡轮压缩机的吐出压力控制放风阀开度。
而且最好是在将入口向导叶片装置的向导叶片开度设为设定临界值、控制放风阀开度的运转中，吐出压力在成为第2设定压力以下时将入口向导叶片装置的向导叶片开度全开。
为了达成上述目的的本发明其他的特征是，在将无负荷运转和负荷运转及定风压运转切换进行运转的涡轮压缩机的容量控制方法中，在以压缩机的喘振临界以下的流量运转时，当该临界流量以下的运转时间或运转次数的频度在规定值以下时，进行无负荷运转，当前述运转时间或运转次数超过规定值时，进行使用放风阀的定风压运转。
而且最好是，在使用放风阀的定风压运转中，吐出压力在成为第2设定压力以下时，切换至无负荷运转；在使用放风阀的定风压运转中，涡轮压缩机的吸入流量成为规定值以下时，切换至无负荷运转；运转次数或运转时间的频度的设定值根据涡轮压缩机的保养周期设定；频度的设定值是每一周的放风阀的动作时间除以无负荷运转每一次的运转时间。
图1是本发明的涡轮压缩机的一个实施例的系统图。
图2是说明相对于涡轮压缩机的吸入风量的吐出压力的特性的图。
图3是说明涡轮压缩机的特性变化的图。
图4是说明涡轮压缩机的容量控制运转的图。
图5是说明涡轮压缩机的容量控制运转的图。
图6是说明涡轮压缩机的定风压控制的图。
图7是说明涡轮压缩机的定风压控制的图。
图8是表示在工厂中一天的压缩气体消耗量变化的一例的图。
图9是表示在工厂中特定时间的压缩气体消耗量变化的一例的图。
图10是表示在工厂中特定时间的压缩气体消耗量变化的一例的图。
具体实施例方式
下面使用图面说明本发明的一个实施例。图1是本发明的单层的涡轮压缩机60的系统图。在压缩作动气体的涡轮压缩机主体3的上游侧设置具有多个引导叶片、该引导叶片的引导叶片角度可变的入口引导叶片装置2，在该入口引导叶片装置2的更上游侧设置吸入过滤器1。
在涡轮压缩机主体3的下游侧，夹置着冷却作动气体的冷却器4形成分歧部5a。分歧部5a的一方与止回阀5连接，在止回阀5的下游，设置检测涡轮压缩机60的吐出压力的压力传感器6。压力传感器6的下游侧与需要源配管连接。在分歧部5a的另一方连接着用于将作为作动气体的空气向大气开放的放风阀12。放风阀12是开度可变的控制阀，在该放风阀12上连接着放风阀开度检测装置15。
在入口引导叶片装置2上，设置检测该入口引导叶片装置2所具有的多个入口引导叶片(引导叶片)的引导叶片安装角度的引导叶片开度检测装置10。另外，入口引导叶片装置2的引导叶片安装角度通过引导叶片驱动装置8被设定，压力传感器6检测出的涡轮压缩机60的吐出压力、放风阀开度检测装置15检测出的放风阀开度、以及引导叶片开度检测装置10检测出的引导叶片开度的检测信号被输入，也设置将根据此输入值控制引导叶片开度及放风阀开度的控制信号输出的控制装置17。控制装置17具有记忆入口引导叶片开度的履历、后述的喘振的数据的记忆机构。
将这样构成的涡轮压缩机60的动作进行如下的说明。通过了吸入过滤器1的作动气体通过入口引导叶片被挤压、在涡轮压缩机主体3内被压缩。接着，通过冷却器4被冷却后经过止回阀5被向吐出侧压送。止回阀5下游的压力传感器6将吐出压力作为压力信号输入到控制装置17中。
控制装置17从被输入的压力信号7和从未图示的上位控制机构输送来的目标压力信号18，使涡轮压缩机60的吐出压力Pdb成为目标吐出压力Pt地将叶片驱动指令信号9送信给叶片驱动装置8。叶片驱动装置8调整入口引导叶片装置2的引导叶片开度β。该被调整的叶片开度β从叶片开度检测装置10作为叶片开度信号11向控制装置17反馈。
控制装置17，如果象这样使用入口引导叶片装置2进行容量调整，涡轮压缩机显示图2所示的特性曲线。即，在以吸入量Qs为横轴、吐出压力Pd为纵轴的该图2中，从压缩机的最大吸入风量直到在其以下产生作为不稳定现象的喘振的喘振线SL1与目标吐出压力Pt的交点的最小吸入风量Qs1成为压缩机工作范围Qst。为了进入这样的风量范围，使入口引导叶片装置2的引导叶片角度变化。最大吸入风量中的引导叶片角度为βmax，最小吸入风量中的引导叶片角度为βmin。
但是，在本实施例中的涡轮压缩机中，将负荷运转、无负荷运转及定风压运转的3种运转方法转换适用。负荷运转在吸入流量位于图2的压缩机工作范围Qst内时，是需要源的作动气体的消耗量比较多的情况。在负荷运转中，与需要源的气体消耗量相平衡调整引导叶片的开度。具体的是使吐出压力传感器6检测出的压缩机吐出压力成为目标压力值Pt地控制装置17对入口引导叶片驱动装置8进行引导叶片角度指令9。
若气体消耗量减少，即使将引导叶片角度拧到最小角度βmin，吐出压力传感器6检测出的压缩机吐出压力也超过目标压力值Pt。这种情况下，由于若再减少引导叶片角度将发生喘振，控制装置17将入口引导叶片一下紧闭使其成为全闭地对引导叶片驱动装置8进行指令。与此同时对放风阀驱动装置13进行使放风阀12全开的指令。这就是无负荷运转。在该无负荷运转中，如图3所示压缩机的吸入风量大约为0，吐出压力成为大气压力(曲线step1)。因此，回避了喘振、压缩机的动力大幅度地降低。另外，由于在该无负荷运转中止回阀5作用，可以防止从需要侧向压缩机的高压气体的逆流。
由于切断了向吐出侧的压缩气体的供应，止回阀5下游的吐出侧压力与气体的消耗量相对应逐渐地减少。若吐出侧压力减少至设定值Pmin，控制装置17对叶片驱动装置8进行将引导叶片开至最小开度βmin的指令。由于引导叶片打开，涡轮压缩机60的吐出压力多少上升一些，吸入风量增大(曲线step2)。在经过规定时间后，控制装置17对放风阀驱动装置13传送使放风阀12全开的指令信号(曲线step3)。据此，移行到负荷运转。
图4表示反复进行负荷运转和无负荷运转时的压力变化，图5表示当时的从压缩机主体吐出的作动气体的风量变化。在负荷运转(TL)中，吐出侧压力传感器6检测出的吐出压力Pdc若超过设定压力Pt将入口引导叶片全闭，将放风阀12全开移行到无负荷运转(Tu)。此时由于止回阀工作需要侧的高压气体不会被放风。由于不会从压缩机主体3供应高压气体，遵从需要侧的气体消耗量吐出压力传感器6检测出的吐出压力Pdc降低。若该压力成为设定最小压力Pmin，将放风阀12全开，将入口引导叶片开启到喘振临界的叶片角度。其结果，从压缩机主体3吐出的气体的吐出压力Pdc如在图4中以实线表示的曲线那样地变化。此时，从压缩机主体3吐出的气体量Qdb在无负荷运转(Tu)中降低至大约为0。在移行到负荷运转(TL)后，喘振线(SL1)上无负荷运转一直继续到消耗气体量降低。在交互反复负荷运转和无负荷运转的需要源的消耗气体量为点化线Qdc。
但是，若反复上述负荷运转和无负荷运转，具有入口引导叶片装置2的可动部、特别是引导叶片及轴承、密封件由于急剧的全闭和复原被磨损或产生疲劳，有可能发生破坏或损伤。在此本发明将负荷运转和无负荷运转的切换频度抑制在规定频度以下。即，为了计算无负荷运转和负荷运转的切换次数，将指令放风阀12的开闭的次数进行记数，记忆在设置于控制装置17的记忆机构17a中。在记忆机构17a中每一周动作次数Nw或者每一月的动作次数Nm作为动作次数被记录。
预先作为实验地求出入口引导叶片的临界动作次数Nmax。对本实施例的涡轮压缩机进行周期性的维护。为了一直到维护时期不使涡轮压缩机发生故障，应知道在每一周能够使放风阀12动作几次。从此开始，求出每一周的临界动作次数Nwmax或者每一月的临界动作次数Nmmax。
将被记忆在记忆机构17a中的放风阀12的动作次Nw与上述临界动作次数Nwmax(或Nmmax)进行比较。在动作次数Nw比临界动作次数Nwmax少的情况下(Nw≤Nwmax的情况)，引导叶片装置2一直到下一次涡轮压缩机的维护期间发生故障的可能性低。在此，涡轮压缩机的运转是将无负荷运转和负荷运转切换运转。
与此相对，在动作次数Nw超过临界动作次数Nwmax的情况下(Nw≥Nwmax的情况)，一直到下一次涡轮压缩机的维护期间引导叶片装置2发生故障的可能性高。在此，将涡轮压缩机的运转移行至不全部关闭引导叶片的定风压运转。这里的定风压运转是使引导叶片角度降低至不引起喘振的临界角度，控制放风阀12使吐出压力传感器6的检测压力为一定的运转。在定风压运转中，由于可以回避入口可变引导叶片急剧的全开及复原动作，可以防止由于疲劳的引导叶片的老化和轴承密封部的损伤。
在定风压运转中，即使吸入风量在规定值以下，也可以维持入口引导叶片的翼片角度为最小叶片开度βmin。据此压缩机主体3不会产生喘振而稳定运转。另外，在该状态下若紧闭放风阀12，由于风量过多吐出压力上升，使吐出侧的压力成为规定值地调整放风阀的开度。在图6及图7中表示这种状况。
在定风压运转中，压缩机主体3以不发生喘振的状态继续负荷运转。即，压缩机主体3的作动点01成为风量Qs1、压力Pd1的喘振临界点。吐出压力传感器6检测出的需要侧压力Pdc，由于在压缩机主体3被压缩的高压气体的大部分被释放到大气中，被维持在Pd1。吸入风量对应放气量为喘振临界值Qs1以下。被释放到大气的气体量若需要源的气体消耗量不恢复为在图7中斜线所示的部分Qd。在此，从压缩机主体3被吐出的压缩气体量Qd为临界值Qd1，需要源的消耗气体量为Qc。
如果在移行至定风压运转后消耗气体量恢复，将回到无负荷运转和负荷运转的切换运转。这种状况如下所示。将定风压运转中放风阀12的1周内的动作时间Tb记忆在控制装置17的记忆机构17a中。将该动作时间Tb用预先被记忆在该记忆机构17a中的作为无负荷运转1次所要的时间的平均无负荷运转时间Tu(常数)相除，求出无负荷运转和负荷运转的切换次数Nw。将切换次数Nw与预先求出的1周的平均切换次数Nwmax进行比较。测定出的切换次数Nw如果比平均切换次数Nwmax少(Nw≤Nwmax)，再返回到无负荷运转和负荷运转的切换运转。据此，降低消耗动力。还有，能够将引导叶片的动作次数抑制在允许限度内，可防止入口引导叶片装置2由于疲劳及磨耗的老化。
使用图8至图10说明本发明的其他实施例。本实施例中，预先掌握需要源的气体消耗状况，预测控制涡轮压缩机。在图8中表示某工厂的消耗空气量Qa的变化。在午餐时间工厂全体的气体消耗量Qa为零或者接近零的状态(状态A)。另外，在作为午后的休息时间的午后3时左右，只有为了维持可使机械运转的待机状态所必要程度的气体消耗量。因此，从压缩机主体的能力来看，成为喘振临界附近的气体消耗量(状态B)。在一般的作业结束后的午后5时附近气体消耗量再次降低，之后直到工厂的运转停止的深夜气体的消耗量逐渐降低。
在预知气体的消耗量Qa的倾向时，能够由上述实施例进一步降低消耗动力。在负荷运转中气体的消耗量Qa减少成为喘振临界以下时，移行至无负荷运转的情况与上述实施例同样。还有，无负荷运转和负荷运转的切换次数Nw、在超过预先求出的临界切换次数Nwmax(Nw＞Nwmax)时切换至定风压运转的情况也与上述实施例同样。另外，本实施例中临界切换次数Nwmax1设定为比上述实施例的临界切换次数小(Nwmax＞Nwmax1)。
但是如果在负荷状态成为图8所示的A状态，可以预知消耗空气量Qa暂时不会恢复(参照图9)。在此，例如即使超过临界切换次数Nwmax1，由于没有频繁发生急剧的引导叶片的开闭动作的担心，不会切换到定风压运转而切换到无负荷运转。如果这样运转涡轮压缩机，将引导叶片全开，之后气体消耗量恢复时虽然需要将引导叶片角度一直返回到喘振临界时的设定角度βmin，但由于该次数只是1～2次左右，对入口引导叶片的损伤少。还有，在压缩机主体被压缩的压缩气体不会被释放到大气中，能够降低涡轮压缩机的消耗动力。
与此相对，如果压缩机的运转状态成为图8的B状态(参照图10)，由于可预想是在喘振临界风量Qs1附近的运转，回避伴随引导叶片急剧的转动的无负荷运转的频繁发生，移行至定风压运转。即，将引导叶片角度设定在喘振临界的角度βmin，调整放风阀12的开度。在该状态下，只在气体消耗量Qa进一步减少变成预定的量Qmin以下时，从定风压运转移行至无负荷运转。这种状态例如对应图8的A状态。
根据本方法，由于在喘振临界流量Qs1附近气体消耗量Qa推移时进行定风压运转，不会产生引导叶片的全开及之后的一直将引导叶片角度返回到喘振临界时的角度的必要，能够保护入口引导叶片装置。另外，由于成为在在喘振临界流量Qs1附近的运转，被释放的压缩气体量ΔQ时喘振临界流量与消耗气体量的差(ΔQ＝Qs1-Qa)是比较少的量，能够降低涡轮压缩机的消耗动力。
根据本实施例，能够比上述实施例更降低消耗动力。还有，在定风压运转中如果对应涡轮压缩机的设置状况控制最小流量Qmin，能够容易地控制引导叶片的动作次数，可简单地使临界动作次数达到未满。另外，在上述各实施例中虽然将涡轮压缩机作成单层，也可以实施于具有多层的压缩机的装置。
根据本发明，由于在涡轮压缩机中使负荷运转和无负荷运转及定风压运转切换运转，使同时达成涡轮压缩机的可靠性提高和动力降低成为可能。
权利要求
1.一种涡轮压缩机，具有压缩机主体、入口向导叶片装置、开度可变的放风阀，该压缩机主体压缩作动流体，该入口向导叶片装置具有设置于该压缩机主体的吸入侧的多个向导叶片，该放风阀设置于压缩机主体的吐出侧，其特征在于，设置压力检测机构、记忆机构、及控制装置，该压力检测机构检测前述压缩机的吐出压力，该记忆机构至少记忆前述入口向导叶片装置的向导叶片开度在设定临界以下运转的时间和次数中的任一个，该控制机构根据该记忆机构所记忆的值控制前述放风阀和向导叶片。
2.如权利要求1所述的涡轮压缩机，其特征在于，前述控制机构将前述向导叶片设为在设定临界以下的开度，当运转压缩机主体的时间或次数在规定值以下的情况下、压力传感器检测出的压力上升到设定压力以上时，将向导叶片开度全闭使其转移至无负荷运转地控制。
3.如权利要求1所述的涡轮压缩机，其特征在于，前述控制机构将前述向导叶片设为临界以下的开度，当运转压缩机主体的时间或次数超过规定值时、压力传感器检测出的压力上升到设定压力以上时，将向导叶片开度设定在设定临界开度并控制放风阀的开度。
4.一种涡轮压缩机的容量控制方法，使用入口向导叶片装置和放风阀进行容量控制，其特征在于，在以压缩机的喘振临界以下的流量运转时，当该临界流量以下的运转时间或运转次数在规定值以下时，将入口向导叶片装置的向导叶片开度置于全开打开放风阀，当前述运转时间或运转次数的频度超过规定值时，将入口向导叶片装置的向导叶片开度设为设定临界值、对应该涡轮压缩机的吐出压力控制放风阀开度。
5.如权利要求4所述的涡轮压缩机的容量控制方法，其特征在于，在将入口向导叶片装置的向导叶片开度设为设定临界值、控制放风阀开度的运转中，吐出压力在成为第二设定压力以下时将入口向导叶片装置的向导叶片开度全开。
6.一种涡轮压缩机的容量控制方法，是将无负荷运转和负荷运转及定风压运转切换进行运转的涡轮压缩机的容量控制方法，其特征在于，在以压缩机的喘振临界以下的流量运转时，当该临界流量以下的运转时间或运转次数的频度在规定值以下时，进行无负荷运转，当前述运转时间或运转次数超过规定值时，进行使用放风阀的定风压运转。
7.如权利要求6所述的涡轮压缩机的容量控制方法，其特征在于，在前述使用放风阀的定风压运转中，吐出压力在成为第二设定压力以下时，切换至无负荷运转。
8.如权利要求6所述的涡轮压缩机的容量控制方法，其特征在于，在前述使用放风阀的定风压运转中，涡轮压缩机的吸入流量成为规定值以下时，切换至无负荷运转。
9.如权利要求6所述的涡轮压缩机的容量控制方法，其特征在于，前述运转次数或运转时间的频度的设定值根据涡轮压缩机的保养周期设定。
10.如权利要求6所述的涡轮压缩机的容量控制方法，其特征在于，前述频度的设定值是每一周的放风阀的动作时间除以无负荷运转每一次的运转时间。
全文摘要
涡轮压缩机具有压缩机主体、入口向导叶片装置、开度可变的放风阀，该压缩机主体压缩作动流体，该入口向导叶片装置具有设置于该压缩机主体的吸入侧的多个向导叶片，该放风阀设置于压缩机主体的吐出侧。在压缩机的吐出侧设置检测吐出压力的压力检测机构。将入口向导叶片装置的向导叶片开度在设定临界以下运转的时间和次数中的至少任一个记忆在记忆机构中，根据该记忆机构所记忆的值控制机构控制入口向导叶片装置和放风阀。
文档编号F04D27/02GK1459573SQ02142448
公开日2003年12月3日 申请日期2002年9月19日 优先权日2002年5月22日
发明者小谷晃士, 武田和夫 申请人:日立产业有限公司