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涡旋压缩机齿顶轴向间隙的变化规律
涡旋压缩机齿顶轴向间隙的变化规律
时间:2016-01-22 23:18  来源:未知 浏览次数:
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  文章编号!
  
  "#$"%#涡旋压缩机齿顶轴向间隙的变化规律李海生!陈英华!吴开波!张小卫!王建松"中国矿业大学 化工学院$江苏 徐州#摘要"为了有效降低涡旋齿端面轴向间隙的径向泄漏!提出齿顶槽内安装密封机构的技术方案!该机构由弹簧和密封条组成!借助压差力作用使密封条底部弹簧产生位移!间接调控轴向间隙!实现齿顶间隙密封I建立压差作用时的密封条工作模型!以密封条受力分析为出发点!详细阐述密封条区间轴向间隙计算模型及理论依据!提出运用截尾均值法求解最佳轴向间隙I通过对密封机构弹簧位移和齿顶轴向间隙的变化规律进行算例研究!探讨压差力#弹簧位移和轴向间隙关联关系!对最佳轴向间隙数值进行评价I结果表明!腔间压差力决定弹簧位移和轴向间隙的数值!运用截尾均值法获得的轴向间隙!可以实现齿顶密封条无压差区域存在轴向间隙而无泄漏!有压差区域因压差较低#轴向间隙较小而产生微量泄漏I关键词"涡旋压缩机$密封条$压差力$轴向间隙中图分类号!
  
  文献标识码!
  
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  $$$$O56$$$$$!
  
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  作为当今世界节能压缩机$涡旋压缩机具有体积小&噪音低&重量轻&振动小&能耗小&寿命长&输气!
  
  收稿日期!
  
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  基金项目!国家自然科学青年基金"#!
  
  作者简介!李海生"#$男$甘肃敦煌人$博士$副教授I连续平稳&运行可靠&气源清洁等优点$因其少维修和超静音等技术优势$广泛用于工业&农业&交通运输&医疗器械&食品工业等行业’"-/(I涡旋压缩机主要包括静盘&动盘&防自转机构&支架体和传动机构等零部件I压缩机两涡旋齿形成第!"卷 第!
  
  期#$"%年&月兰!
  
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  理!
  
  工!
  
  大!
  
  学!
  
  学!
  
  报了月牙形的容积腔!随着曲轴的不断旋转!该容积腔逐渐向中心压缩腔运动!其压缩腔体积逐渐减小!气体压力逐渐升高I由于涡旋齿啮合过程使其产生磨损!在压差力和高温作用下产生了变形!涡旋盘加工精度无法满足要求!这些因素都可以导致动盘"静盘涡旋齿间产生径向和轴向间隙!分别形成了周向和径向泄漏!影响了压缩机工作效率I在此之前!研究者对涡旋压缩机的泄漏进行了长期理论和实验研究!积累了一些经验!对工业实践具有很好的指导作用I在泄漏方面!主要包括三方面的研究工作#第一!研究者建立间隙泄漏的数学模型!力求揭示间隙内介质的流动过程!进而对间隙内的泄漏量进行理论计算!提出可行的密封技术方案I如李文华等以气体流动的基本方程为基础建立了泄漏模型$!
  
  %!进行了实验验证&杨骅等对多种泄漏数学模型的优缺点进行了分析和对比$%%&陈荣等对微型涡旋压缩机泄漏进行了理论计算!分析了不同泄漏间隙时的泄漏量$’%&屈宗长等运用不可压缩黏性流动理论建立了泄漏的数学模型I第二!建立测量的技术方案!对涡旋齿端面的轴向间隙进行测量!力求通过实验获得轴向间隙的数值及其变化规律!作为评价泄漏量的主要依据I如杨启超等借助电涡流位移传感器实现了轴向间隙的测量!提供了工作间隙的变化范围$0-&%I第三!根据泄漏的特点!结合压缩机技术领域的研究思路!提出了具体的密封机构!探索该机构实现间隙密封的可行性I如李超等借助数值模拟研究了微间隙内表面粗糙度对介质泄漏的影响!
  
  提出了减小泄漏量的可行性措施$2%&刘兴旺等提出迷宫式密封解决涡旋齿径向泄漏问题!开展了相关的实验验证!对实际生产具有重要的指导$"$%&李海生等提出了齿端面的两种可用密封模型!并对密封条的结构和材料进行了详细的描述$%I结合上述研究可以发现!在动"静涡盘的涡旋齿顶部开设密封槽!把由自润滑材料制成的密封条和弹簧放置于密封槽中!压差力作用下使弹簧产生形变!密封条产生在槽内浮动运动!可以用来密封通过轴向间隙的径向气体泄漏!涡旋压缩机的这一技术已用于汽车空调"无油润滑等技术领域!文献资料表明密封效果较好!在一定程度上降低了涡旋齿与盘底平面间的摩擦功率损失I研究该密封结构的轴向间隙变化!已有的研究结果无法借鉴!主要原因可归纳如下三方面#首先!可以运用热力学和流体力学建立轴向间隙的泄漏模型!但是在研究轴向间隙变化规律过程中!仅能求解某个压缩腔的间隙及其泄漏量!各压缩腔间泄漏模型的边界条件不同!求解比较困难I其次!即使不考虑涡旋盘加工误差和涡旋齿端面的摩擦磨损!由于气体压缩过程中!压缩腔的空间位置由外而内逐渐变化!气体压力逐渐升高!密封条工作过程中承受的各种载荷是变化的!其载荷大小"影响区域"分布规律等并不清楚!在求解轴线间隙的变化规律时应该考虑这一因素I最后!通过实验手段研究轴向间隙的变化规律存在困难!主要考虑到密封条通常是非金属材料!无法采用电涡流位移传感器进行测量I本文将通过受力分析求解压差力作用时的弹簧位移!建立压差力"弹簧位移和轴向间隙关联关系!
  
  运用数学方法求解不同位置压缩腔间的轴向间隙变化规律!力求获得最佳轴向间隙!在保证径向密封的同时!尽可能降低涡旋齿与涡旋盘底部摩擦功率损失!探索弹簧和密封条组成的密封机构用于齿端面密封的可行性IF!
  
  齿顶密封机构FIF!
  
  技术要求齿顶部安装的密封条!通常具备润滑与密封两种功能#一方面降低运动过程中涡旋齿与涡旋盘底部的摩擦系数!减少摩擦功率损失!提高压缩机的工作效率&另一方面可以减小涡旋齿顶部的轴向间隙!
  
  阻止气液介质通过轴向间隙的径向泄漏I实现涡旋压缩机齿顶的润滑与密封!对密封条结构和材料特性具有一定的技术要求I在工作过程中!密封条与动盘一起高速旋转运动!密封条与涡旋盘底平面接触会产生摩擦和磨损I密封条材料应具备摩擦系数小“耐磨性能好”机械强度高等特点!密封机构应该设计合理!应考虑到材料的磨损及磨损后的补偿问题I同时!由于两侧压缩腔内存在压差力!压缩腔内气体产生大量压缩热!密封机构可以满足高压差力和高温载荷共同作用的环境条件!密封条材料工作性能稳定且传热性能良好I通常可以采用自润滑性能良好的非金属材料制造密封条!如聚醚醚酮"聚四氟乙烯等!已被广泛应用IFIG!
  
  工作原理密封条工作原理如图"所示I在涡旋齿顶部开设密封槽!其形位公差和尺寸公差符合相关技术要求I先将弹簧安装在密封槽底部!再将密封条压入密封槽中!确保弹簧能够在轴向产生压缩或拉伸变形I涡旋齿两侧分别是压力为F8的高压腔和F8‘"的低压腔!由于腔间压差"F的存在!通过密封条顶部与涡旋盘底平面之间存在轴向间隙J!使两压缩腔间产生了压缩介质的质量和热量的交换!形成了径向’/’’兰 州 理 工 大 学 学 报第!"卷泄漏W图F!
  
  密封条工作原理示意图在工作过程中!密封条与密封槽内壁在高压一侧存在侧间隙!密封条底部的弹簧存在背间隙!假定在节流作用下!密封条顶部轴向间隙内压力呈现线性分布!其顶部的工作压力FE可以表示为FE SU"#""#密封条底部的工作压力为高压F8!则上下平面产生的压力差"F为U"#"##!
  
  由于!
  
  "F%$!使弹簧产生变形!密封条背部在气体压差力和弹簧力共同作用下产生浮动!密封条产生向上的运用位移!使其顶部轴向间隙减小!阻止气液通过间隙的泄漏!实现了轴向间隙密封WG!
  
  密封条力学模型GIF!
  
  受力分析涡旋齿工作过程中!依靠连续变化的容积腔实现气体的压缩过程I密封条在工作过程中的浮动运动变化!不能仅依靠弹簧力单独完成!压差力也是一种重要的载荷I无论是动盘或是静盘!由于运动过程中密封条的工作位置会发生周期性的变化!导致压差力并不是连续作用于密封条I而且密封条在某时刻!沿其渐开线方向的压差力载荷分布不均匀!数值差异较大!这些因素都使得密封条工作状态比较复杂I图#描述了曲轴转角$f时的涡旋齿和密封条的空间位置I图中可以看出!沿着密封条的渐开线展开方向!密封条黑色阴影区域受到压差力作用!压差力是相邻两个压缩腔内压力差与其作用的密封条底面面积之积I由于密封条某区间处在同一压缩腔内!或者是密封条两侧是成对压缩腔!其腔内气体压力相等!不存在压差!该区域压差力为零I随着曲轴旋转!
  
  动盘与密封条的位置发生周期性变化!由于压缩腔大小$位置$压力等随着旋转运动发生变化!密封条表面压差力分布也随之变化I图G!
  
  齿顶密封条的压差力分布示意图完成密封条安装后!若密封条底部弹簧产生预压缩变形!则密封条所受的弹簧恢复力和压差力同方向!使密封条顶部紧贴涡旋盘底平面!无论密封条是否承受压差力作用!工作过程中理论的轴向间隙均为零I虽然这样可以实现轴向间隙的密封功能!但是由于压差力的存在!使密封条受到涡旋盘底平面的支持力将增大!导致密封条与涡旋盘底平面间摩擦功率损失增大!不利于压缩机的工作效率I由此!
  
  可以假设密封条的运动过程是由于压差力引起的自由浮动I当压差力为零时!虽然腔间存在轴向间隙!
  
  但无压差力驱动时介质不会产生流动!不存在泄漏%当压差力非零时!密封条产生浮动!弹簧力与压差力平衡!密封条工作位置较为稳定!此时由于浮动使轴向间隙减小!泄漏量降低I结合上述分析!可知密封条底部弹簧力&4D""#ST[@""# "/#密封条水平方向的力平衡方程&4D""#S4K""# "!
  
  #式中&4D""#为 底部弹簧力!
  
  3%[为弹簧的刚度%@""#为弹簧的位移!
  
  >%"为渐开线展开角%4K""#为密封条的气体压差力!
  
  3I弹簧的位移&@""#ST4K""#["%#GIG!
  
  计算依据在求解密封条位移之前!需要对压差力$轴向间隙进行计算!下面讨论这些参数的计算依据I"#压差力密封条几何参数如图/所示I密封条安装在涡旋齿槽内!密封条与涡旋齿的型线基圆半径相同!渐开线发生角不同I图中渐开线基圆半径为#!密封条渐开线发生角为i!
  
  !密封条起始位置的渐开线展角为/$f!选取黑色阴影部分密封条为研究对象!其起’/0第’!
  
  期李海生等&涡旋压缩机齿顶轴向间隙的变化规律始和终止渐开线展角分别为""和"#W图J!
  
  密封条几何参数密封条阴影部分面积为D!
  
  """"#"\!
  
  #SD!
  
  """U!
  
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  ’#式中$D!
  
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  #为展开角""和"#的涡旋齿面积"可以分别表示为D!
  
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  压缩机吸气容积ZD为ZD_%!
  
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  D’%#+!
  
  2#第8压缩腔容积Z8为Z8S%!
  
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  !T#K#!
  
  ’%#+!
  
  "$#式中$!
  
  为涡旋齿节距">(K为涡旋齿厚度">(6为渐开线圈数(+为涡旋齿高度">(,为曲轴转角"度I第8压缩腔的压缩比为&8SZD’Z8!
  
  ""#!
  
  第8级排气压力F8为$!
  
  "##则气体力可以表示为4K!
  
  "#!
  
  """"#"\!
  
  # !
  
  "/#!##弹簧弹簧设计过程中"需要根据作用载荷计算求得I弹簧初算刚度为F]S+$!
  
  "!
  
  #式中$Fj为弹簧初算刚度"3’>>(F>7T和F>L?
  
  分别为最大和最小工作载荷"3"可以根据作用在密封条上的气体力确定(+$为工作行程">>I假定工作载荷为))
  
  类"则工作极限载荷为FQ>7T!
  
  "%#!
  
  由安装的结构确定弹簧的中径"然后结合工作极限载荷和弹簧材料直径确定弹簧类型I弹簧的圈数可由下式进行确定$&SF]F8!
  
  "’#式中$F8为选用弹簧的单圈刚度"3’>>I/#轴向间隙密封条运动的位移可以表示为@!
  
  "#ST!
  
  U"#D!
  
  """"#"\!
  
  ##[!
  
  "0#!
  
  在获得密封条运动位移的基础上"进一步对其轴向间隙进行求解W密封条涡旋型线每两个啮合点之间形成一个区间"密封条该区间内各点位移相同W当曲轴旋转一周过程中"随着位置)腔间压差的变化"&个 不 同 区 间 的 密 封 条 产 生 位 移 为$@"!
  
  "#"@#!
  
  "#"@/!
  
  "#"*"@&!
  
  "#"可以采用截尾均值法求取平均位移W截尾均值是指在一个数列中"去掉两端的极端值后所计算的算术平均数"也称为切尾均值W第8区间的平均位移可以定义为@!
  
  "#S&&8S"@8!
  
  "#T@>7T!
  
  "#T@>L?
  
  !
  
  "#&T#!
  
  "&#第8区间的轴向间隙可以定义为J8!
  
  "#S@!
  
  "#T@8!
  
  "#! @!
  
  "#%@8!
  
  "#!
  
  $ @!
  
  "#,@8!
  
  "-.
  
  /#!
  
  "2#式中$@!
  
  "#为弹簧的平均位移">(J8!
  
  "#为第8区间的轴向间隙">(@8!
  
  "#为第8区间的密封条位移">(&为曲轴旋转一周过程中密封条产生的区间个数(&&8S"@8!
  
  "#为&个区间的密封条位移之和">(@>7T!
  
  "#和@>L?
  
  !
  
  "#分别为&个区间密封条位移的最大值和最小值">I当@!
  
  "#%@8!
  
  "#时"表明平均位移大于该区间的弹簧位移“弹簧变形量不足”致使密封条与涡旋齿底平面间存在轴向间隙(当@!
  
  "#,@8!
  
  "#时"表明平均位移小于或等于该区间的弹簧位移"轴向间隙为负值“弹簧变形量较大”使密封条紧贴在涡旋盘底平面"不存在轴向间隙IJ!
  
  算例分析以用于空气输送的涡旋压缩机为例"对其齿端面密封条的工作载荷情况进行计算求解I该压缩机主要技术参数$额定转速’>L?
  
  "吸气压力"排气压力"排气量$I&>/’>L?
  
  "吸气温度涡旋齿型线的基圆半径"回转半径"初始角!$f"涡旋体壁厚’>>"+/&+兰 州 理 工 大 学 学 报第!"卷涡旋体高度通过计算可知!曲轴转角#0$f时!在密封条涡旋型线渐开线内!作用在该角度范围内的密封条压差力最大!达到了由机械设计手册查询可知!该载荷最少选用弹簧材料直径"I#>>"中径’>>的弹簧!已超出涡旋齿的安装空间I因此!可以考虑在密封条沿渐开线展开方向!自展开角%$f开始!每隔/$f安装一个弹簧!这些弹簧之间是并联关系I在密封条渐开线角度内!可以安装’个并联的弹簧!由式#"%$可知工作极限载荷为!单个弹簧可以承受的极限载荷为"/I%$3I可以选用材料直径!弹簧中径/>>!
  
  其工作极限载荷可以达到!单圈刚度为!0I/3%>>!满足要求I根据弹簧的相关参数!确定了密封槽基圆半径!密封槽深度!密封槽宽度!>>&密封条型线的基圆半径!起始角!$f!密封条高度!密封条宽度!材料为聚四氟乙烯I该压缩机涡旋齿型线随着曲轴旋转的啮合过程如图!
  
  所示!图中实线为静涡旋齿!虚线为动涡旋齿I图K!
  
  涡旋齿型线啮合过程示意图JIF!
  
  弹簧位移在不同曲轴转角时!由内向外的压缩腔分别被定义为第一“二”三压缩腔!密封条弹簧位移沿渐开线展开角方向的分布情况如图%所示I压差力是弹簧产生位移的主要载荷!密封条弹簧位移与压差力成正比!弹簧位移方向与压差力方向一致I弹簧存在位移总为零的区间!各区间弹簧位移交替变化并不连续I图L!
  
  沿密封条渐开线展开角的弹簧位移分布转角$f时!最外部的第一压缩腔完全形成!吸气过程结束I转角由过程中!第三压缩腔内压力逐渐升高!与吸气压力形成压力差!导致弹簧位移不为零I随着曲轴的旋转!第一压缩腔压力始终保持排气压力不变!第二"三压缩腔压力逐渐升高!使腔间压力差逐渐减小!导致弹簧位移逐渐减小!三个压缩腔及吸气腔相互之间均存在压力差!弹簧在三个区间存在位移I自转角#0$f开始!第二压缩腔内压力达到了排气压力!与第一压缩腔内压力差差异最大!压缩机开始排气!此时弹簧位移出现了最大值$>!位于第一"二压缩腔之间的密封条区间IJIG!
  
  轴向间隙运用截尾均值法求得密封条弹簧的平均位移为$>!计算可得不同转角时轴向间隙沿密封条渐开线展开角分布情况!如图’所示I由图’可以看出!轴向间隙的分布规律与弹簧位移直接相关I某区间内弹簧位移增大!则轴向间隙减小!这符合实际工作情况I除了转角2$f以外!密封条在其他时刻时!其压差为零的区间!弹簧不会产生位移!轴向间隙恒为$>!但此时由于腔间不存在压力差!即使轴向间隙非零!也不会产生径向泄漏&在压力差非零的区间!由于平均位移大于各区间的弹簧位移!致使这些区间的轴向间隙为零!即使压力差不等于零!亦不会产生间隙泄漏I由此可知!
  
  压差力作用下使密封条底部弹簧产生了位移!可以有效地阻止轴向间隙的径向泄漏I但当转角为2$f时!其第二"三压缩腔间压力差为!该区间’/2第’!
  
  期李海生等(涡旋压缩机齿顶轴向间隙的变化规律图P!
  
  沿密封条渐开线展开角的轴向间隙分布的压差力为!产生了弹簧位移为$>!
  
  该数值小于弹簧平均位移!导致产生了$>的轴向间隙I由于此时压差较小!可以通过支架体与静盘之间的密封垫片厚度进行调节IK!
  
  结论""沿着密封条渐开线展开角方向!由于压差力分布不均匀!使弹簧位移分布呈现间断式分布规律I弹簧位移变化规律主要由所在位置的压缩腔间介质压差力决定!吸气#排气过程中密封条两段区间产生位移!气体压缩过程中具有三段!排气时在第一#二压缩腔间产生最大位移I#"轴向间隙的分布规律与弹簧位移直接相关I借助截尾均值法确定了涡旋齿顶部轴向间隙的最佳数值!可以保证涡旋齿端面的无压差区域存在轴向间隙而无泄漏!大部分有压差区域因轴向间隙为零而无泄漏!仅在第二#三压缩腔间低压差区域因较小的轴向间隙而产生微量泄漏I/"由弹簧和密封条构成的齿端面密封机构!压缩腔间压差力作用使弹簧产生位移!密封条浮动过程有效降低了涡旋齿轴向间隙!从而降低了径向泄漏!截尾均值法求取的最佳轴向间隙满足实际需要I参考文献$%"&!
  
  李!
  
  超!韩昌亮!刘兴旺I涡旋压缩机微间隙泄漏量和轴向密封力的分形表征 %^&I兰州理工大学学报!
  
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  李文华!褚红艳I涡旋压缩机泄漏模型的建立与分析 %^&I压缩机技术!
  
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  杨!
  
  骅!屈宗长I涡旋压缩机泄漏研究综述 %^&I流体机械!
  
  #$$/’"""$%’&!
  
  陈!
  
  荣!王!
  
  文I微型涡旋压缩机泄漏的理论计算 %^&I流体机械!
  
  #$$&’’"$%0&!
  
  杨启超!李连生!赵远扬!等I涡旋压缩机轴向动态间隙的实验测量 %^&I西安交通大学学报!
  
  #$$&!
  
  !#’0"$%&&!
  
  杨启超!李连生!赵远扬!等I电涡流法测量涡旋压缩机轴向间隙的可行性试验研究 %^&I中国机械工程!
  
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  "&’"0"$%2&!
  
  李!
  
  超!梁秋立!赵!
  
  嫚I表面粗糙度对无油润滑涡旋压缩机微间隙泄漏的影响 %^&I流体机械!
  
  #$""’!
  
  "$%"$&!
  
  刘兴旺!刘振全!齐学义I基于迷宫效应的涡旋齿的切向密封研究 %^&I中国机械工程!
  
  #$$2!
  
  #$’#$"$%""&!
  
  李海生!刘振全!彭!
  
  斌!等I无油润滑涡旋压缩机齿端面密封的研究 %^&I润滑与密封!
  
  #$$’’""$%"#&!
  
  李海生!陈英华!崔新跃!等I无油润滑涡旋压缩机轴向间隙密封的研究 %^&I煤矿机械!
  
  #$$0’’"$(!$(兰 州 理 工 大 学 学 报第!"卷 (责任编辑:旺卓)
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