（流体机械及工程专业论文）提高变频涡旋压缩机压缩性能的方法研究.pdf

摘要 摘要 涡旋压缩机具有结构简单、体积小、重量轻、振动小、噪声低、吸 排气平稳、调节流量方便等优点，已广泛应用于制冷、空调、燃气机组 等领域，并由定转速涡旋压缩机向变频涡旋压缩机领域发展。但实践表 明，变频涡旋压缩机在低转速下的压缩性能较差。本课题针对这一问题 进行了一些研究。 首先，从理论上分析了转速对变频涡旋压缩机单位曲柄转角下的排 气量、压缩终了内压力、单位质量有效气体获得的多变压缩能量头及多 变效率等表示压缩性能的参数的影响规律，并利用实验测试得出了单位 曲柄转角下的排气量和转速的关系曲线、压缩终了内压力和转速的关系 曲线、单位质量有效气体获得的多变压缩能量头和转速的关系曲线及多 变效率和转速的关系曲线。研究表明，由转速降低引起的泄漏的增大是 导致变频涡旋压缩机压缩性能降低的主要原因。然后，针对变频涡旋压 缩机的泄漏问题进行了三个方面的研究工作。 通过分析涡旋压缩机动静涡旋齿间的切向密封机理，探寻了变频涡 旋压缩机动静涡旋齿问切向泄漏的根源，提出了一种新型切向密封机构 ( 弹力衬套机构) 。该机构既能保证变频涡旋压缩机在低转速下具有良好 的切向密封性能，又能实现动涡旋盘的径向退让，可避免动涡旋盘发生 阻转现象，同时可降低动静涡旋盘及与其相配合的零件的加工、装配精 度。 为进一步提高变频涡旋压缩机的切向密封性能，提出并设计了迷宫 式切向密封结构。分析了该结构的迷宫综合效应，根据切向泄漏的流动 特点，推导得出了无迷宫切向密封结构和迷宫式切向密封结构泄漏量的 计算式，计算了两种切向密封结构的泄漏量。设计并建立了测定切向密 封结构泄漏量的实验台，测定了无迷宫切向密封结构和迷宫式切向密封 结构的切向泄漏量。通过对比两种切向密封结构泄漏量的实测值和理论 计算值表明，理论推导得出的计算无迷宫切向密封结构和迷宫式切向密 封结构泄漏量的算法正确，两种切向密封结构的泄漏量均随相邻压缩腔 压差的增大而增大，迷宫式切向密封结构的泄漏量占无迷宫切向密封结 构泄漏量的比例基本恒定，本研究的算例中，该比例为5 8 9 ，说明迷宫 式切向密封结构的密封性能明显优于无迷宫切向密封结构的密封性能。 为提高涡旋压缩机的径向密封性能，提出并设计了迷宫式径向密封 摘要 结构。分析了该结构的迷宫综合效应，根据径向泄漏的特点，推导得出 了无迷宫径向密封结构和迷宫式径向密封结构泄漏量的计算式，计算了 两种径向密封结构的泄漏量。设计并建立了测定径向密封结构泄漏量的 实验台，测定了无迷宫径向密封结构和迷宫式径向密封结构的径向泄漏 量。对比两种径向密封结构泄漏量的实测值和理论计算值表明，理论推 导得出的计算无迷宫径向密封结构和迷宫式径向密封结构的泄漏量的算 法正确，两种径向密封结构的泄漏量均随相邻压缩腔压差的增大而增大， 迷宫式径向密封结构的泄漏量占无迷宫径向密封结构泄漏量的比例基本 恒定，本算例中该比例为7 9 ，说明迷宫式径向密封结构的密封性能优于 无迷宫径向密封结构的密封性能。 本研究的主要成果及创新在于，通过理论分析和实验测试得出，导 致变频涡旋压缩机在低转速下压缩性能变差的主要原因是低转速下泄漏 的增大，提出了减小泄漏、提高变频涡旋压缩机压缩性能的三种方法， 即弹力衬套机构、迷宫式切向密封结构和迷宫式径向密封结构，通过理 论计算和实验测试证明了这三种方法可减小泄漏，从而可提高变频涡旋 压缩机的压缩性能，并可拓宽变频涡旋压缩机的频率适用范围。 关键词：变频涡旋压缩机；压缩性能；泄漏量；弹力衬套；迷宫密封 n a b s t r a c t s c r 0 1 1c o m p r e s s o rh a v ea d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，s m a l l v o l u m e 1 i g h tw e i g h t ，s m a l lv i b r a t i o n ，l o w n o i s e ，s m o o t h l ys u c t i o n a n de x h a u s t l n g ， a n df l o wa d ju s t i n gc o n v e n i e n c ee t c ，i th a sb e e nw i d e l y u s e di nr e f r l g e r a 1 0 n a i rc o n d i t i o n i n g ，g a su n i t sa n do t h e rf i e l d s ，a n dd e v e l o p e d f 。o m h ec o n s ? n s p e e ds c r 0 1 1c o m p r e s s o fi n t o i n v e r t e rs c r o l lc o m p r e s s o r b u tt h ep r a c t l c e s h o w e dt h a tt h ec o m p r e s s i o np e r f o r m a n c eo fi n v e r t e r s c r o l lc o m p r e s s o ra t l o wr e v o l u t i o ni sp o o r t h er e s e a r c hi s b a s e d0 nt h i sq u e s t i o n f i r s t l v ，t h e o r e t i c a l l y a n a l y s e s o nt h e i n f l u e n c eo fr e v o l u t i o n t o d i s c h a r g ec a p a c i t y u n d e ro n ea n g l e ， e v e n t u a lc o m p r e s s i o n ，p o l y t r o p l c e n e r g yh e a dg a i n e db yt h ee f f e c t i v e g a sa n dp o l y t r o p l ce f f l c l e n c y 1 s m ? d e r e l a t i o nc u r v e so fd i s c h a r g ec a p a c i t y - r e v o l u t i o n ，e v e n t u a l c o m p r e s s l o n - r e v o l u t i o n ，p o l y t r o p i ce n e r g yh e a d r e v o l u t i o n a n dp o l y t r o p i ce f f i c i e n c y - r e v o l u t i o na r eg a i n e db ye x p e r i m e n t a lt e s t s t h es t u d y s h 0 w e dt h 甜m 甜? e o fl e a k a g ew i t hr e d u c i n go fr e v o l u t i o n w a st h em a i nf a c t o rt h a tm a d e t n e c o m p r e s s i o np e f f o r m a n c ep o o r s o i ti sv e r yn e c e s s a r yt or e d u c e1 e a k a g et ? i m p r o v ec o m p r e s s i o np e r f o r m a n c e t h e n ，t h r e ea s p e c t s o ft h er e s e a r c hw o r k b a s e do nt h el e a k a g ep r o b l e mo fi n v e r t e rs c r o l lc o m p s o rw e 心m 3 北：1 t a n g e n t i a ls e a l i n gm e c h a n i s mo ft h e s c r o l lc o m p r e s s o rb e t w e e nl ! l x e d s c r o l lt e e t ha n do r b i t i n gs c r o l lt e e t hw a sa n a l y z e d i nt h i sp a p e r ，t h er o o to t t h et a n g e n t i a ll e a k a g eo fi n v e r t e rs c r o l lc o m p r e s s o r i se x p l o r e d ，a n dan e w k i n do ft a n g e n t i a ls e a l i n g m e c h a n i s mi sp u tf o r w a r d ， i ti sc a l i e de l a s t l c b u s h i n g t h i sm e c h a n i s mg u a r a n t e et h a t i n v e r t e rs c r o l lc o r n p r e s s o rh a sg o o d s e a l i n gp e r f o f m a n c ea t 1 0 wr e v o l u t i o n ， a n da l s oc o u l dm a k et h eo r b l t l n g s c r 0 i lp l a t em o v et o w a r dt h ec e n t r eo ff i x e ds c r o l l ，s o o r b i t i n gs c r o l lp l a t e c o u l dn o tb eh o l du p ，m e a n w h i l e ，i tc o u l d r e d u c ep r o c e s s i n ga n da s s e m b l i n g a c c u r a c yo fo r b i t i n gs c r o l lp l a t ea n dp a r t sc o m b i n e d w i t ht h eo r b i t i n gs c f o l l p l a t e t 0e n h a n c et h et a n g e n t i a l s e a lp e r f o r m a n c eo fs c r o l lc o m p r e s s o r t h e l a b v r i n t ht a n g e n t i a l s e a ls t r u c t u r e a r ep u tf o r w a r d a n dd e s i g n e d t h e c o m p r c h e n s i v ce f f e c to f t h e l a b y r i n t hs t r u c t u r ci sa n “y z e d ，a 叮叭n g 佃? e f 1 0 0 。c h a r a c t e r i s t i c s o f t h et a n g e n t i a ll e a k a g e ，c a l c u l a o n f o r m u l af o r t a n g e n t i a ll e a k a g eo ft h el a b y r i n t ht a n g e n t i a l s e a ls t r u c t u r ea n dt h a to t t h e 1 1 1 一! = ! 当当尘：g = # = ! = ! ! g 目目目搴阜g 目目= = | = 阜 g g 目目s 自目自目目目自g g = ! = ! = ! ! = ! ! = ! = 目= = = = = 5 一 s t r u c t u r ew i t h o u tl a b y r i n t h w e r eg i v e n ， a n dt h el e a k a g e s o ft h e s et w o t a ng e n t i a ls e a ls t r u c t u r e s a r ec a l c u l a t e d t h et e s tb e n c ht od e t e r m i n et h e l e a k a g e0 ft a n g e n t i a ls e a l s t r u c t u r ei sd e s i g n e da n db u i l t ，a n dt a n g e n t l a l l e a k a g e so ft h el a b y r i n t ht a n g e n t i a l s e a ls t r u c t u r ea n dt h a to ft h es t r u c t u r e w i t h o u t l a b y r i n t hw e r ed e t e r m i n e d b yc o m p a r i n gt h el e a k a g e s o ft h e s et w o k i n d so ft a n g e n t i a ls e a ls t r u c t u r e ，w h i c hw e r eg o tb yt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n a n de x p e r i m e n t a ld e t e r m i n a t i o n ，s h o w e dt h a tt h e a l g o r i t h m sf o rt a n g e n t l a i l e a k a g e0 ft h et a n g e n t i a ll a b y r i n t h s e a la n dt h a to ft h es t r u c t u r e w l t h o u t l a b y r i n t hw e r ea c c u r a t e ，l e a k a g e so ft h e t w ot a n g e n t i a ls e a ls t r u c t u r ew e f e i n c f e a s i n gw i t h t h ei n c r e a s i n go f t h ea d j o i n i n gc o m p r e s s i o nc h a m b e r s p r e s s u r ed i f f e r e n c e ，t h er a t i o so ft h el e a k a g e so f l a b y r i n t ht a n g e n t l a l s e a i a c c o u n t e df o rt h o s eo ft h e s t r u c t u r ew i t h o u tl a b y r i n t ha r ef u n d a m e n t a l l y c o n s t a n t ，o n l y5 8 9 t h i ss h o w e dt h a tt h es e a l i n ga b i l i t y o ft h et a n g e n t l a l l a b y r i n t hs e a li sg r e a t e rt h a nt h a to ft h es e a l i n g s t r u c t u r ew i t h o u tl a b y n n t n t oi m p r o v e t h er a d i a ls e a lp e r f o r m a n c e o fs c r o l lc o m p r e s s o r ， t h e l a b y r i n t h f a d i a l s e a l s t r u c t u r e i s p u t f o r w a r d a n dd e s l g n e d l h e c o m p r e h e n s i v ee f f e c to ft h el a b y r i n t hs t r u c t u r e i sa n a l y z e d ，a c c o r d i n gt ot h e f l o wc h a r a c t e r i s t i c so ft h er a d i a ll e a k a g e ， c a l c u l a t i o nf o r m u l af o r r a d l a l l e a k a g e0 ft h el a b y r i n t h r a d i a ls e a l s t r u c t u r ea n dt h a t 0 ft h es t r u c t u r e w i t h o u tl a b y r i n t hw e r eg i v e n ，a n dt h el e a k a g e so ft h e s et w or a d i a l s e a l l n g s t r u c t u r ea r ec a l c u l a t e d t h et e s tb e n c ht o d e t e r m i n et h el e a k a g eo fr a d i a l s e a ls t r u c t u r ea r ed e s i g n e da n db u i l t ，a n d r a d i a ll e a k a g e so ft h el a b y n n t n r a d i a ls 蚰1s t r u c t u r e a n dt h a to ft h e s t r u c t u r ew i t h o u tl a b y r i n t h w e r e d e t e 珊i n e d b yc o m p a r i n gt h el e a k a g e so f t h e s et w ok i n d so fr a d i a ls e a l s t r u c t u r e w h i c hw e r eg o tb y t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n a n de x p e r l m e n t a l d e t e r m i n a t i o n ，s h o w e dt h a t t h ea l g o r i t h m sf o rr a d i a ll e a k a g eo ft h er a d i a l l a b y r i n t hs e a l a n dt h a to ft h es t r u c t u r e w i t h o u tl a b y r i n t hw e r ea c c u r a t e ， l e a k a g e s o ft h e t w or a d i a ls e a l s t r u c t u r e sw e r ei n c r e a s i n g w i t ht h e i n c r e a s i n go ft h ea d j o i n i n gc o m p r e s s i o nc h a m b e r s p r e s s u r ed i f f e r e n c e , t h e r a t i o so ft h el e a k a g e so fl a b y r i n t h r a d i a ls e a la c c o u n t e df o rt h o s e o ft h e s t r u c t u r ew i t h o u tl a b y r i n t h a r ef u n d a m e n t a l l yc o n s t a n t ，o n l y 7 9 t h i s s h o w e dt h a tt h es e a l i n ga b i l i t yo f t h er a d i a ll a b y r i n t hs e a l i sg r e a t e rt h a n t h a to ft h es e a l i n gs t r u c t u r ew i t h o u tl a b y r i n t h t h em a i nf i n d i n g sa n di n n o v a t i o n s o ft h i ss t u d ya r ea sf o l l o w s , t h e m a i nr o o tt h a tm a d et h ec o m p r e s s i o np e r f o r m a n c ep o o r i st h el n c r c a s l n go f 博十学何论文 l e a k a g e a tl o wr e v o l u t i o n t h r e em e t h o d st o i m p r o v e t h e c o m p r e s s i o n p e r f o r m a n c eo f i n v e r t e r s c r o l lc o m p r e s s o rw e r ep u t f o r w a r d t h e y a r e e l a s t i cb u s h i n gi n s t i t u t i o n s ，l a b y r i n t ht a n g e n t i a ls e a ls t r u c t u r ea n dl a b y r i n t h r a d i a ls e a ls t r u c t u r e t h e s ei n n o v a t i o n sh a v es u p e r i o r i t yf o ri m p r o v i n gt h e c o m p r e s s i o np e r f o r m a n c e ，a n do p e n e du pav a s tr a n g eo fp r o s p e c t s k e yw o r d s ：i n v e r t e rs c r o l lc o m p r e s s o r ；c o m p r e s s i o np e r f o r m a n c e ； l e a k a g e ；e l a s t i cb u s h i n g ；l a b y r i n t h v 土要符号衷 主要符号表 a 一基圆半径，m m ； b 一迷宫槽宽度，m m ； c 一速度，m s ； c 。一轴向间隙，m m ； d 一迷宫槽深度，m m ； d 一直径，m m ； f 一力，n ； h 一涡旋齿高度，m m ； h 一功耗，j ； k 一等熵压缩指数； l 一泄漏线长度，m m ； m 一力矩，n i n ； n 一压缩腔数； p 一涡旋齿节距，m m ；功率，w ： p 一压力，p a ； q m 一质量流量，k g s ； 口一单位质量气体吸收的热量，j ； ，o r 一动涡旋盘的回转半径，m m ； r 一气体常数，j k g k ； r 一温度，k ； f 一涡旋齿壁厚，m m ； f 一迷宫齿壁厚，m m ； y 一容积，m 3 ； ，一质量比容，m 3 k g ； w 一单位质量气体所作的功，j ； z 一迷宫齿数量； a 一圆渐丌线起始展角，r a d ； d 一央角，r a d ； y 一迷宫齿齿尖倾角，r a d ； 6 一间隙，m m ； t 1 一效率； e 一曲柄转角，r a d ； p 一密度，k g m 3 ； ( 1 ) 一角速度，r a d s ； “一动力学粘度，p a s ； 0 。一吸气结束角，r a d ； 0 + 一开始排气角，r a d ； 印一速度系数 一压力比 下标 t 一切向； r 一径向； m 一质量； a 一轴向； 1 ，2 ，3 ，f ，z 一序号： c r 一临界； p o1 一多变； m a x 一最大； m in 一最小； 博 。学侮论文 第1 章绪论 1 1 涡旋压缩机的发展历程 涡旋式流体机械的构思，最初是由法国工程师l e o nc reu x 于l 9 0 5 年提出，并在美国注册专利的。在其专利中，涡旋齿型线采用基圆渐 开线，动涡旋盘采用公转结构，涡旋齿端部设计有密封材料，从现在的 涡旋压缩机结构来看，这三项技术都被保留了下来，并成为涡旋压缩机 高性能的基本保障。继l e o nc r e ux 的专利之后，l n o r di 在1 9 25 年获 得了涡旋液泵的专利3 。 围绕涡旋式流体机械的基本原理，人们又陆续提出了涡旋式流体机 械在其它方面的一些应用设想，并为此做出了许多理论上的探讨 1 1 。由 于当时没有加工涡旋型线的高精度加工设备，涡旋机械在工程上并未得 到深入的研究和发展。直到2 0 世纪70 年代，数控加工技术的发展，给涡 旋机械的发展带来了机遇。l9 7o 年以后，关于涡旋机械的研究明显活跃 起来，特别是n 0 y o u n g 和j e m c cu1 lo u g 等一23 申请了涡旋机械的一系 列专利，对涡旋机械的研究起到了很大促进作用。197 5 年美国a d l 公司 首次利用涡旋压缩机的原理，采用双轴伸两级压缩的结构，成功开发了 氦气涡旋压缩机，展现了涡旋压缩机具有的独特优点，从而揭开了人们 对涡旋压缩机的大规模工程开发以及科学研究的序幕。 日本在涡旋压缩机的商业开发方面处于优势地位。三电公司于19 8 2 年率先批量生产汽车空调涡旋压缩机，日立公司于19 8 3 年首先推出柜式 空调涡旋压缩机。随后各大公司竟相展开涡旋压缩机的研发工作，并不 断推陈出新，涡旋压缩机的制造业在日本迅速崛起。 美国是继日本之后又一个大规模生产涡旋压缩机的国家，谷轮公司 于l9 87 年开始生产涡旋压缩机，现在年产量达3 5 0 万台以上，是目前世界 上最大的涡旋压缩机制造商。开瑞公司和特灵公司19 9 2 年开始生产涡旋 压缩机，泰康公司19 9 5 年也开始了涡旋压缩机的生产。 在我国，2 0 世纪八十年代后期，涡旋压缩机逐渐成为研究热点，先 后有西安交通大学、甘肃工业大学、机械部通用机械研究所等单位对涡 旋压缩机技术进行了深入的研究，并研制成功多种型式的空调涡旋压缩 机、空气涡旋压缩机、汽车空调涡旋压缩机、天然气涡旋压缩机的样机。 广州万宝压缩机股份公司引进了日立公司年产12 万台单元空调用全封闭 涡旋压缩机的生产线，美国谷轮公司在苏州投资建设了年产10 0 万台5 h p 涡旋压缩机的生产线，日本三洋公司与大连冰山集团合作推出了涡旋压 缩机产品，使我国在涡旋压缩机方面走上了大规模的研发与应用道路。 第1 章绪论 目前，我国研发的涡旋压缩机的型式更加趋于多样化。在被压缩介 质方面，其领域诈在从空调压缩机扩大到空气压缩机、天然气压缩机等 领域。在结构方面，涡旋压缩机由单涡旋型线向双涡旋型线及多涡旋型 线发展。在润滑方面，正在从有油润滑向无油润滑涡旋压缩机发展。为 方便流量的调节，压缩机的转速由定转速压缩机向变频压缩机领域扩展。 但实践表明，变频涡旋压缩机在低转速下的泄漏大，压缩性能差，这 就限制了变频涡旋压缩机的频率使用范围。因此，有必要研究影响涡旋 压缩机压缩性能的原因，并针对影响压缩性能的原因采取相应的措施， 提高涡旋压缩机的压缩性能。 1 2 影响涡旋压缩机压缩性能的主要因素 单位曲柄转角下的排气量、压缩终了内压力、单位质量有效气体获 得的多变压缩能量头、多变效率等参数较直观地表示了变频涡旋压缩机 的压缩性能。 本研究中发现，导致变频涡旋压缩机在低转速下压缩性能较差的原 因是低转速下泄漏量的增大。 按泄漏部位的不同，涡旋压缩机中的泄漏可分为切向泄漏、径向泄 漏及背压腔与吸气腔之间的泄漏。在这三种泄漏中，切向泄漏和径向泄 漏很难解决，而有效解决上述问题对减小泄漏、提高变频涡旋压缩机的 压缩性能、拓宽变频涡旋压缩机的频率适用范围意义重大。为此，科技 工作者们就这些问题进行了大量的研究。 1 3 国内外涡旋压缩机密封问题的研究现状 1 3 1 切向密封问题的研究现状 切向密封问题一直是涡旋压缩机的关键性技术难题，是提高涡旋压 缩机压缩性能的瓶颈所在。目前，关于切向密封问题的研究主要集中在 以下5 个方面。 ( 1 ) 切向泄漏量的计算和测定。 ( 2 ) 转速对切向泄漏量的影响。 ( 3 ) 对径向随变机构的工作原理、模型及工程应用方面的研究。 ( 4 ) 涡旋型线几何参数对泄漏线长度的影响。 ( 5 ) 涡旋齿的加工精度及涡旋齿的变形等因素对切向密封的影响。 下面就这5 个方面的研究现状分别作简要阐述。 ( 1 ) 切向泄漏量的计算和测定 计算切向泄漏量的方法较多，第一种模型是管道摩擦阻力模型。 2 博f ：学伶论文 n o ria kiis hii 3 等将动静涡旋齿问的径向间隙简化为两个不同半 径的圆弧问的间隙，对通过径向问隙的切向泄漏进行了研究。研究中， 将泄漏气体的流动当作不可压缩粘性流体的湍流流动，认为泄漏气体由 高压腔中的压力降低到低压腔中的压力的过程中，压力损失是由泄漏气 体流动粘性力引起的摩擦阻力损失造成的，利用计算管道摩擦损失的方 法计算了切向泄漏量，并将理论计算所得的泄漏量和实验测定的泄漏量 进行了对比，证明了将泄漏介质r 2 2 看成是不可压缩流体进行计算较符 合实际。 计算切向泄漏量的第二种常见模型是喷管泄漏模型。 由于臭氧层破坏和温室效应的影响，自然制冷工质c o 。的研究引起了 人们重视，c 0 ：涡旋压缩机的研发相应得到了发展1 引，c 0 ：涡旋压缩机 的泄漏问题也得到了相应的研究。马一太等研究了c o ：涡旋压缩机中介 质对涡旋压缩机泄漏量的影响，指出由于c o ：运行压力高，c o ：压缩机内 部的运行间隙较常规制冷剂压缩机内部的运行间隙有较大变化，致使泄 漏量也有较大的变化。该研究中将切向泄漏流动简化为流体流过理想收 缩喷管的模型进行了泄漏量的计算。研究得出，随着排气压力的升高， 径向泄漏量增加，切向泄漏量基本恒定，总泄漏量增加。研究还指出， 提高蒸发温度可减小c o ：涡旋压缩机的泄漏量。 c k on a m k y u 在实验的基础上，采用喷管模型对切向泄漏量进行估算， 分析了涡旋压缩机的不同运行工况对切向泄漏的影响n 。这种模型把动 静涡旋齿间的由大到小的径向间隙简化成一个理想收缩喷管，并假设流 体在喷管中流动时无摩擦损耗，与外界没有热交换。该计算中忽略了流 体的粘性对流动的影响，实际上涡旋压缩机动静涡旋齿间的切向泄漏是 小间隙狭长流道中的泄漏，这种情况下流体的粘性摩擦力对流速的影响 较大，忽略流体的粘性对流动的影响，计算结果与实际的偏差是较大的。 由于喷管模型相对简便实用，有人提出对该模型进行修正后应用的 算法，即首先把模型简化成可压缩气体通过理想喷管的有限流动，用理 想喷管模型计算得到一个理论泄漏量，然后在该泄漏量前面乘以一个流 量系数得到修正后的泄漏量，流量系数的大小由实验测定得到引。由于 实验本身有一定难度和误差，所以，喷管模型仍需不断完善。 计算切向泄漏量的第三种常见模型是范诺流模型。 许多研究工作者运用该模型对涡旋压缩机切向泄漏的相关问题进行 了研究卜川。该模型的特点是将切向泄漏通道简化成一段渐缩喷管和一 段直管的模型，等截面直管的长度根据模型化前后摩擦效应保持相等的 原则确定。将泄漏气体的流动视为一元可压缩气体的绝热流动，同时考 3 第1 章绪论 虑流体粘性对泄漏流动的影响。 y u a l lx iul in g 等人提出了一种纯气体二维n s 方程模型玑圳。研究 中采用了二维n - s 方程及气体状态方程，具体考虑了气体的粘性、可压 缩性、惯性力以及运动边界对泄漏的影响，在理论分析的基础上建立了 泄漏量的计算模型，通过编程求解了泄漏量并和实验结果进行对比，发 现泄漏量的理论计算值和实验值吻合较好。这种模型的优点是，在建立 模型的过程中既考虑了粘性力，又考虑了惯性力，假设条件比较少，没 有引入经验参数，不足之处在于模型复杂，计算量较大。 ito ht a k a h id e 等提出了考虑涡旋齿侧壁上润滑油膜厚度的两相流 泄漏模型心7 1 。这种模型分别考虑气相和液相的泄漏，将泄漏流动模拟成 不可压缩的粘性流动，提出了一个润滑油粘附率的参数，该参数是通过 跟踪流场中的油微粒而得到的，该参数反映了涡旋齿侧壁上油膜的厚度。 最后，通过对实验数据和理论计算结果的比较，证明了模型的精确性。 ( 2 ) 转速对涡旋压缩机切向泄漏量影响的研究现状 转速是涡旋压缩机的重要参数，转速直接影响压缩机的泄漏量，进 而影响涡旋压缩机的压缩性能。近年来，科技工作者们展开了一些关于 转速对泄漏量影响的研究工作。 屈宗长等较全面地研究了转速对涡旋压缩机压缩性能的影响心引。研 究发现，在低转速范围内，泄漏损失随转速的升高下降很快，随转速的 增加其下降趋势逐渐平缓，说明了转速增大到一定程度后，对泄漏的影 响越来越小。研究还发现，吸排气损失随转速的提高而增加，特别是排 气损失随转速的升高增加较快。 马贞俊，孙嗣莹对采用变频调节的三种压缩机( 往复活塞式压缩机、 滚动转子式压缩机、涡旋式压缩机) 的等熵效率、容积效率进行了比较 引。 研究表明，对于涡旋压缩机，随着转速增大，泄漏量会减小，容积效率 会提高。 纪民举们等分析研究了转速与涡旋压缩机整机排气量的关系，发现 转速增大，整机排气量增大。 还有些学者研究了涡旋油泵转速的优化问题。研究得出，涡旋机 械在处理液体介质时，转速也是影响泄漏量的重要因素，转速过低，油 的泄漏量大，容积效率低；转速过高，在排油口形成较大的压差，也会 导致泄漏损失增大。 上述研究中均未涉及由转速引起的泄漏量的变化对压缩终了内压 力、单位曲柄转角下的排气量及压缩能量头的影响，实际上，这些问题 也是涡旋压缩机中需要深入研究和明确的关键技术问题。 4 博十学何论文 ( 3 ) 径向随变机构的研究现状 动静涡旋齿侧壁l 日j 的径向问隙与动静涡旋盘的相对运动规律有直接 关系，许多研究工作者对涡旋压缩机的涡旋运动机构进行了分析卜 叫0 1 ， 揭示了涡旋压缩机的工作原理、工作条件及其径向间隙的变化规律。 l9 9 6 年，甘肃工业大学的刘振全和日本静冈大学的柳泽正等对涡旋 压缩机的机构模型进行了深入的研究4 引。建立了一个由曲轴和双滑块 组成的涡旋压缩机的机构模型，应用该模型对涡旋压缩机进行机构分析 和运动分析的结果证明了该模型对各种结构类型的涡旋压缩机具有普遍 意义，为径向随变机构的设计提供了理论基础。随后，径向随变机构的 研究工作在国内得到较深入地展开。 l9 97 年，杜桂荣发表了涡旋压缩机机构模型及径向随变调节原理的 论文引。阐明了偏心滑块径向随变机构的工作原理及其优越性。 李超4 1 等对带有十字滑环防自转机构和径向随变机构的涡旋压缩机 结构进行了分析研究，根据其运动特性，建立了偏心套径向随变机构运 动简图，还建立了引入虚约束以改善机器运行平稳性的偏心套径向随变 机构运动简图。这些简图为进行涡旋压缩机动力学分析提供了便利。 刘涛等将涡旋机械的机构模型和径向随变原理应用到了工程设中h “ 删。设计了一种套筒式径向随变机构，并在偏心套筒的底面加工出限位 销，同时在曲轴相应部位加工出限位孔，从设计角度降低了对涡旋盘加 工和装配精度的要求。 ( 4 ) 泄漏线长度问题的研究现状 切向泄漏线的长度对泄漏量的影响很大。h k o h so k a b1e 等利用代数 螺线作为涡旋型线，其优点是在吸气容积相同时，可降低涡旋齿的齿高， 有利于减小切向泄漏线的长度h ”。刘兴旺等研究了涡旋齿几何参数对泄 漏线长度的影响，研究得出，在吸排气压力、吸气容积一定的条件下， 总有一组涡旋型线几何参数可使泄漏线长度最短，为涡旋压缩机的优化 设计提供了理论依据卜5 引。梁高林等建立了无油润滑双涡圈涡旋压缩机 的泄漏模型，根据型线的几何理论计算了一个周期内泄漏线的长度，分 析了在工作过程中泄漏线长度随曲柄转角的变化，为进一步研究双涡圈 涡旋压缩机的泄漏问题提供了依据阳。 ( 5 ) 涡旋盘的加工精度和变形对切向泄漏影响的研究现状。 涡旋压缩机动静涡旋齿间的切向泄漏与涡旋盘的加工精度及涡旋盘 因受力、热作用而产生的变形有关。刘四虎等纠研究了涡旋盘的几何精 度与泄漏及涡旋盘的几何精度与机械摩擦的关系，给出了一套完整的涡 旋盘几何精度指标，用以评价涡旋盘的加工精度，并指出运用该精度指 5 第1 章绪论 标加工涡旋盘可较好地保证涡旋压缩机的性能，同时可使加工具有一定 的经济性。 刘振全等通过对实际工况下涡旋盘的受力分析，建立了有限元分析 模型，并由此得到了动涡旋盘在实际工况下的应力分和特点与变化规律， 找出了零件的最危险点33 。张立群等应用有限元计算分析软件，对静涡 旋盘进行了变形分析，得到了静涡旋盘在实际工况下的变形规律，研究 发现涡旋盘中心部位的轴向变形大于涡旋盘外缘部位的轴向变形，故工 作过程中，动静涡旋盘在涡旋盘外缘部位出现较大的轴向和径向间隙， 引起泄漏量增大1 。杜桂荣，刘涛编制了动涡旋盘三维实体和二维壳体 有限元分析网格自动生成软件，并按实体单元和壳体单元进行了动涡旋 盘的网格划分和应力变形分析计算，发现动涡旋齿头部中央的应力值较 大引。国内外还有一些学者进行了涡旋盘的受力与变形方面的研究，得 到了涡旋盘的应力与变形规律p 圳。 上述研究未考虑温度对应力及变形的影响。实际上，随着主轴旋转， 各工作腔中的容积、压力和温度在不断变化，加之涡旋齿本身呈较薄的 柱面，使得动静涡旋盘的受力和变形变得更加复杂。一些研究工作者同 时考虑了温度和气体作用力对涡旋盘的作用，对涡旋盘的应力及变形进 行了分析研究。天津大学的金丹阳6 等采用有限元方法，对动涡旋盘在 气体力、惯性力、温度载荷作用下的应力分布及变形规律进行了分析， 研究发现，气体力主要影响径向及周向变形，而温度载荷主要影响轴向 变形，动涡旋盘在气体力及温度载荷作用下最大应力发生在齿头根部。 兰州理工大学的强建国对涡旋真空泵涡旋齿的失效形式进行了分析研究 2 。6 引。研究表明，涡旋齿中央部分的温度和工作压力高，变形和应力较 大，应力集中明显，并指出了涡旋齿的常见失效形式。还有学者考虑了 压缩腔中气体的温度和压缩腔的传热，对涡旋齿的热变形问题进行了研 究，得出了温度与涡旋齿变形之间的关系5 1 。 一 上述关于涡旋盘变形的研究，对研究涡旋压缩机的切向泄漏及径向泄 漏问题有重要的价值。 1 3 2 径向密封问题的研究现状 为了防止背压腔中的高压气体和润滑洫泄漏到吸气腔中，涡旋压缩 机般都设置有背压腔。背压腔中的背压力使动涡旋盘底板上表面和静 涡盘底板下表面接触处的轴向间隙为零并产生一定的密封力，这就要求 动静涡旋齿齿顶和与之相配合的另一涡旋盘槽底之间必须留有一定的轴 向间隙，而该间隙的存在会导致高压腔中的气体沿此间隙泄漏到相邻的 6 博十学何论文 低压腔中，即形成了径向泄漏。国外科技工作者较早就开始进行径向泄 漏方面的研究6 喵7 1 ，提出了背压平衡腔及轴向柔性机构，为径向密封问 题丌创了良好局面。 目前，对径向密封问题的研究主要集中在以下四个方面。 ( 1 ) 径向泄漏量的理论计算与测定。 ( 2 ) 动静涡旋盘轴向补偿机构。 ( 3 ) 镶嵌密封条的涡旋齿结构。 ( 4 ) 通过优化涡旋齿的几何参数减小径向泄漏量。 下面分别叙述这四个方面的研究现状。 ( 1 ) 径向泄漏量的理论计算与测定 在径向泄漏量的理论计算与测定方面，n o ria ki ishii 等发表了关于 涡旋压缩机中被压缩介质径向泄漏量的估算方法和实测结果的论文，在 计算径向泄漏量时，将压缩介质的径向泄漏当作粘性不可压缩流体在湍 流状态下的流动，按照管道流动损失估算了泄漏量，并测定了在不同压 差作用下，两相邻压缩腔中的气体压力随时间的变化规律，揭示了气体 径向泄漏的一些基本规律。王焕然等分析了不同温度与不同泄漏压差 下的空气、c o ：、 r 22 、r11 等介质的泄漏量与最小密封间隙之间的关系， 以动量方程、连续性方程、实际气体状态方程及过程方程为基础，将泄 漏介质的流动视为粘性气体的多方流动，建立了计算涡旋压缩机泄漏的 模型，并对计算模型进行了实验验证，对比表明，理论和实验吻合较好。 江波引等在研究涡旋压缩机的泄漏通道和泄漏过程的基础上，分析了泄 漏流动的不同流态，提出了各泄漏通道中流体流态的判断依据，建立了 相应的泄漏模型，并用实验验证了理论分析的正确性。刘兴旺 引等对有 油润滑涡旋压缩机轴向间隙中流体的层流流态进行了分析，建立了纯油 单相层流流动和气、油两相层流流动的流动模型，并对流体在两种层流 流态下的泄漏量进行了计算，该计算为进一步研究涡旋压缩机的径向泄 漏提供了理论根据。屈宗长等运用了不可压缩粘性流体的流动理论建立 了涡旋压缩机中的径向泄漏模型，并指出应用该模型能方便地预测压缩 机的性能3 。 相对于实际径向泄漏而言，上述理论计算所考虑的因素还是较有限 的，计算结果与实际情况有一些差距。另外，这些研究只是停留在对固 有结构的动静涡旋盘问径向泄漏量的计算和压缩机性能的预测上，没有 从改进压缩机涡旋盘结构方面去设法减小径向泄漏量。 ( 2 ) 动静涡旋盘轴向补偿机构的