（工程热物理专业论文）有机朗肯循环系统涡旋膨胀机工作过程分析与实验研究.pdf

摘要 随着能源与环境压力日益凸显，低品位的可再生能源的价值逐渐被人们关 注，有机朗肯循环( o r g a n i cr a n k i n ec y c l e ，o r e ) 系统是一项能够高效、环保地将 低品位能源转化为高品位电能的技术，因此成为低品位能源利用技术研究的热 点，而膨胀部件的研究则是o r c 研究的一个重点。涡旋膨胀机是一种结构紧凑、 价格低廉的膨胀机械，由于其潜在的优越性能使得许多研究者选择其作为o r c 系统的膨胀部件。本文在前人对涡旋膨胀机研究的基础上，基于实际涡旋膨胀机 型线理论，对涡旋膨胀机进行了工作过程分析与实验研究。 对涡旋膨胀机的型线构成方法进行了初步的研究：根据涡旋压缩机的一般型 线几何理论推导了涡旋膨胀机的一般型线构成方法；对实验用涡旋膨胀机的型线 参数进行测量，得到了较为准确的型线参数，并由型线参数绘出膨胀机的工作过 程图；基于型线几何参数用m a t l a b 调用n i s t 中的物性参数对采用r 2 4 5 f a 为作 功工质的涡旋膨胀机做热力分析与模拟，考察膨胀机的各项性能。 对涡旋膨胀机的膨胀过程性能分析与评价方法进行了辨析，明确了只有内膨 胀过程才能真实反映膨胀机的性能；探讨了内、外等熵效率的计算方法和意义， 明确只有内等熵效率才能反映膨胀机的真实性能。 对内不可逆因素中的最主要的因素内部泄漏进行了分析和探讨，针对一 般的泄漏模型无法准确计算泄漏量的大小这一问题，提出了新的泄漏模型。 实验考察了涡旋膨胀机的力矩输出特性及影响因素；结合实验数据和等熵 膨胀过程模拟计算得到泄漏系数平均值己，用实验验证表明新泄漏模型误差较 大，不适合用于计算泄漏，分析误差原因后发现，误差主要由系统工质流量波动 较大造成；通过将模拟数据与实验数据对比后得出了膨胀机的内等熵效率，将内 等熵效率与外等熵效率进行对比可知，外等熵效率随外部工况剧烈变化，不能用 于评价膨胀机的性能。 关键词：可再生能源，有机朗肯循环，涡旋膨胀机，泄漏，内等熵效率，外等 熵效率 a b s t r a c t a st h ee n e r g ya n de n v i r o n m e n t a lp r e s s u r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r ep r o m i n e n t p e o p l eh a v eb e e np a y i n gm u c hm o r ea t t e n t i o nt ot h ev a l u eo ft h el o w g r a d er e n e w a b l e e n e r g yg r a d u a l l y o r g a n i cr a n k i n ec y c l e ( o r c ) s y s t e mi s am u c he f f e c t i v e e n v i r o n m e n t a lt e c h n i q u ew h i c hc a ng e n e r a t ep o w e rf r o ml o wg r a d ee n e r g y t h a t m a k e si tah o ts p o to fl o wg r a d ee n e r g yt e c h n o l o g yr e s e a r c h t h er e s e a r c ho ft h e e x p a n d e ri s ak e yp o i n to ft h es t u d yo fo r c s c r o l le x p a n d e ri s c o m p a c ta n d i n e x p e n s i v e b e c a u s eo fi t sp o t e n t i a ls u p e r i o rp e r f o r m a n c e ，m a n yr e s e a r c h e r sc h o o s e i ta st h ee x p a n s i o nc o m p o n e n t so ft h eo r c s y s t e m t h i sp a p e ra n a l y s e st h ew o r k i n g p r o c e s s e sa n dd o e se x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fs c r o l le x p a n d e rb a s e do nt h ep r e v i o u s r e s e a r c ha n dt h ea c t u a lg e o m e t r i c a lt h e o r yo f s c r o l le x p a n d e r t h em e t h o do f c o m p o s i t i o no fs c r o l lp r o f i l e si ss t u d i e d t h eg e n e r a lm e t h o do f c o m p o s i t i o nf o rs c r o l lp r o f i l e sb a s e do nt h eg e n e r a lg e o m e t r i c a lt h e o r yo ft h es c r o l l c o m p r e s s o rh a sb e e nd e d u c e d t h ep r o f i l eo ft h ee x p e r i m e n t a ls c r o l le x p a n d e ri s m e a s u r e d b a s i n go nt h ea c c u r a t ep a r a m e t e r so ft h ep r o f i l e ，t h ew o r k i n g p r o c e s s e so f t h es c r o l le x p a n d e ri sd r a w n i no r d e rt oe x a m i n et h ep e r f o r m a n c e so f t h ee x p a n d e r m a t l a bi su s e dt om a k eat h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o no ft h e s c r o l l e x p a n d e rw i t hn i s ts o f t w a r e ，r 2 4 5 f aa sw o r k i n gf l u i d t w ob a s i cp a r a m e t e r st ot h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no f t h ee x p a n d e ri ss t u d i e d v o l u m ee f f i c i e n c ya n di s e n t r o p i ce f f i c i e n c y - - t o g e t h e rw i t ht h e i n f l u e n c ef a c t o r sa n d t h ec a l c u l a t i o nm e t h o d o ft h e m a f t e rd e t e r m i n i n gt h a ti n t e r n a l l e a k a g ei st h em a i n f a c t o ra f f e c t i n gt h ev o l u m ee f f i c i e n c y ，t h ed e f e c t so ft h eg e n e r a ll e a k a g em o d e l si s d i s c u s s e da n dan e wl e a k a g em o d e li s p r o p o s e d a f t e ri n v e s t i g a t i n gt h eg e n e r a l c a l c u l a t i o nm e t h o do fi s e n t r o p i ce f f i c i e n c y ，t h er e s u l ts h o w st h a tg e n e r a lc a l c u l a t i o n m e t h o df o ri s e n t r o p i c e f f i c i e n c yc a n tr e p r e s e n tt h ea c t u a lp e r f o r m a n c eo ft h e e x p a n d e rp e r f e c t l y ，t h e r e f o ri ti sn e c e s s a r yt op r o p o s ea nc o n c e p to fi n t e r n a li s e n t r o p i c e f f i c i e n c yt or e p r e s e n tt h er e a lp e r f o r m a n c eo ft h ee x p a n d e r t h et o r q u eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c sa n di n f l u e n c ef a c t o r so f t h es c r o l le x p a n d e ri s s t u d i e d w i t ht h ec o m b i n a t i o no fe x p e r i m e n t a n di s e n t r o p i ci n f l a t i o n p r o c e s s s i m u l a t i o n ，t h ea v e r a g el e a k a g ef a c t o r i sp r o v i d e d b u te x p e r i m e n t a lr e s u i ts h o w e d t h a tt h ee r r o ro ft h ef l e wl e a k a g em o d e li st o ol a r g et ou s e t h ee r r o ri sd u et ot h eb i g f l u c t u a t i o no ft h ew o r k i n gf l u i d w i t ht h ec o m p a r i s o nb e t w e e ne x p e r i m e n t a ld a t aa n d s i m u l a t i o nd a t a , i n t e r n a l i s e n t r o p i ce f f i c i e n c yi sp r o v i d e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h e e x t e r n a l 。i s e n t r o p i ce f f i c i e n c y c a n tb eu s e dt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h e e x p a n d e rb e c a u s eo f t h eg r e a tf l u c t u a t i o n k e yw o r d s r e n e w a b l ee n e r g y ，o r g a n i cr a n k i n ec y c l e ( o r c ) ，s c r o l le x p a n d e r , l e a k a g e ，i n t e r n a li s e n t r o p i ce f f i c i e n c y , e x t e r n a li s e n t r o p i c e f f i c i e n c y 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 能源是世界经济发展的基石，人类生产、生活的各个方面都离不开能源，因 此能源的发展直接制约着经济的发展和人民生活水平的提高。 我国经济发展举世瞩目，以煤、石油、天然气等的传统能源供应紧跟需求高 速增长。早在2 0 0 2 年，我国传统能源消费已位列全球第二，仅次于美国。“十一 五”期间，我国传统能源消费总量增加9 亿吨标准煤，年均增长6 6 。其中，电 力消费从0 5 年到1 0 年增加了1 7 亿千瓦时，年均增长1 1 1 ；煤炭消费量从0 5 年到1 0 年增加了8 8 2 亿吨，年均增长6 8 ；石油消费从0 5 年到1 0 年增加了 1 0 3 亿吨，年均增长5 7 ；天然气消费从0 5 年到1 0 年增加了6 6 2 亿立方米， 年均增长1 8 5 。截止到2 0 1 0 年，中国能源研究会证实中国已成为全球第一大 能源消费国。 随着我国经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，能源问题所造成的社 会影响已日益严重： ( 1 ) 目前，我国以煤、石油、天然气为主的传统能源的供需缺口大，储量危 机日益明显。按目前探明的储量和开采能力测算，我国煤炭、石油和天然气的可 开采年限分别只有8 0 年、1 5 年和3 0 年。人均能源资源更是严重不足，我国的 石油、天然气人均剩余可采储量仅为世界平均水平的7 7 和7 1 ； ( 2 ) 传统能源大量燃烧后排放出的有害气体对环境所造成的污染和产生的温 室效应使人们的生存环境曰益恶化。在我国，煤炭燃烧引起的大气污染所造成的 酸雨面积已超过国土面积的1 3 ，并且c 0 2 、s 0 2 的排放量均已成为世界第一大 排放国： ( 3 ) 我国能源利用效率低下，一些发达国家的能源利用率都在5 0 以上，美 国的能源利用率已经超过6 0 ，而我国只有3 0 左右。 为了缓解我国能源不足带来的经济和社会压力，我们必须从以下几个方面着 手： f 1 1 采取各种强化节能技术和措施，极力提高能源的利用效率，同时配套相 关的激励和奖惩机制，促进节能技术在生产生活中得到实施： ( 2 1 早在2 0 世纪8 0 年代我国就已经提出了可持续发展战略，这对能源的利 用和发展提出了现实要求； 第一章绪论 ( 3 ) 加大可再生能源利用技术研究和应用推广，是提高我国能源供应安全的 需要。目前我国能源供需严重失衡，全球能源争夺愈演愈烈，单纯依靠传统能源 已远不能满足社会进步的需要。加大力度发展可再生能源，例如工业余热、太阳 能、地热能、生物质能、潮汐能、风能，用可再生能源补充并逐步代替化石能源； ( 4 ) 通过国际能源合作，利用国际能源资源。 大力发展再生能源，不仅能为应对能源危机出力，而且能够减少化石能源消 耗进而减少c 0 2 、s 0 2 、n o x 等等有害气体的排放，对环境保护有极大意义。 地热能作为一种可再生能源，由于其储量巨大，越来越收到世界各国的重视， 据估计，地球总地热能约为全球煤热能的1 7 亿倍；中国的地热资源蕴藏量也非 常丰富，高于2 5 。c 的温泉有2 2 0 0 余处，已经探明并挖掘的地热井2 0 0 0 多座， 其中的2 5 5 座可用作发电；据估计，中国的地热资源总储量达到了5 8 0 0 m w ，其 中已经有3 0 0 8 m w 被开发利用，居世界第1 2 位i 。2 | 。 1 2 中低温热能利用技术 自然界和工业过程中，存在大量的中低温( 温度低于3 4 0 0 ( 2 ) 热源，例如太阳 能( 以非聚集式集热器收集) 、地热能、各类中低温工业余热等。中低温热源所含 能量的低品位特性，限制了以其作为热源的发电系统的第一定律效率、经济性， 也限制了其能量密度和发电系统的容量。传统的以水( 蒸汽) 为工质的朗肯循环技 术，不能够经济地对中低温热源作发电利用；因而，以往中低温热源主要用于供 热。而大量的中低温热源，因资源附近缺乏足够的热用户，要么得不到开发利用 ( 太阳能、地热1 r j g ) ，要么不加利用地排向环境( 中低温工业余热) 。后者不仅浪费 了宝贵的能源资源，还对环境形成热污染。有机朗肯循环( o r c ) 、k a l i n a 循环、 跨临界有机朗肯循环等新型动力循环的出现和相应的发电系统技术进展，有效地 降低了热源的经济性发电温度下限，各类中低温热源的发电利用潜力因而受到关 注。 ( 1 ) 有机朗肯循环( o r c ) 有机朗肯循环( o r c ) 顾名思义是利用有机工质做功的朗肯循环，相比传统的 朗肯循环，o r c 所采用的有机工质可在较低温下蒸发产生较高压力蒸汽，再利 用接近常温的水作为冷凝水对蒸汽进行冷凝便能使蒸发端和冷凝端建立相当可 观的高低压差。因此，o r c 技术适合于中低温热能的回收利用。o r c 系统如下： 2 第一章绪论 1 琏溅磁 i 净越嚣 图l 一1 有机朗肯循环( o r c ) 系统示意图 如图所示，有机朗肯循环是一种双工质循环技术，该循环的工质回路循环的 主要设备包括蒸发器、冷凝器、透平膨胀机、工质泵等四大部件，结构简单紧凑， 占地面积小。工质循环和朗肯循环是一致的，工质泵从低压储罐中吸取液态有机 工质，然后将其升压泵到蒸发器中与余热换热蒸发产生高压蒸汽进入透平膨胀机 中推动膨胀机做功，做完功的低压乏汽进入冷凝中冷凝成液态流入储液罐，进入 下一个循环。 有机朗肯循环采用了新工质做功，具有一些新的特点： 1 1 相比传统朗肯循环，o r c 在回收低温热能时更加高效。 2 ) 有机物的工作压力范围适中不是很高也不是很低，因此系统对密封的要求 较低。 3 】所采用的有机工质若为干流体则无需太大过热度便可保证膨胀过程不进 入两相区。 4 ) 该技术应用对环境、地域、能源种类的要求非常低，适用面广。 ( 2 ) k a l i n a 循环 图1 - 2k a l i n a 循环示意图 第一章绪论 k a l i n a 循环技术采用氨水混合物为做功工质，因此也是一种双循环系统。如 图1 2 所示为一级蒸馏k a l i n a 循环的一种形式。其主要装置有：余热锅炉、蒸汽 机和凝汽器等。 高压泵从低压凝汽器( 8 1 中吸取液态工质，然后升压泵入锅炉中蒸发形成过 热蒸汽进入透平做功，做完功的乏汽进入回热器冷却，接着与整流器底部出来的 富水溶液于混合器中混合成为基本溶液，通过低压凝汽器完全凝结成饱和液体， 并在低压泵中升压，然后在分离器中分成两股，一股进入回热器加热并在蒸馏器 中分离称为富氨溶液及富水溶液，另外一股进入混合器( 2 ) 与蒸馏器顶部出来的 富氨气相溶液混合形成工作溶液，然后又经过高压凝汽器凝成饱和工作溶液，完 成一个循环。 k a l i n a 循环的特点有： k a l i n a 循环有别于一般的朗肯循环最大的特点就是，其蒸发吸热过程为变温 过程，因此混合工质的吸热过程与热源的放热过程曲线可以更好的匹配，有助于 减少换热不可逆损失，提高余热利用效率，同时还能大大降低废气排温，既环保 又高效。 1 3o r c 技术概况 1 3 1 有机朗肯循环系统性能评价及工质的筛选研究 t c h a n c h e 掣7 】针对低温太阳能有机朗肯循环( 热源9 0 ) ，以2 0 种工质为研 究对象，以汽轮机出口体积流量、膨胀比、工质质量流量、热效率、第二定律效 率、加热量、总的不可逆损失、各部件的不可逆损失等为考察指标进行工质筛选， 研究表明r 1 3 4 a 最好，r 1 5 2 a 、r 6 0 0 a 、r 6 0 0 、r 2 9 0 性能较好，但是可燃。 h e t t i a r a c h c h i 掣8 】基于7 0 9 0 0 c 的低温地热水驱动的o r c 系统进行系统性能 考察，以单位功率输出的系统换热器面积最小为优化目标，以p f 5 0 5 0 、r 1 2 3 、 氨和正戊烷4 种纯质为考察对象，研究结果表明，相同的单位功率输出，以氨为 工质的o r c 系统所需的换热器面积最小。 b o r s u k i e w i c z g o z d u r 掣9 】以自然工质、有机工质以及混合工质为研究对象， 在高温热源8 0 i1 5 c 的温度范围内，考察朗肯循环的理论效率和输出功率。 d e s a i 掣1 0 以1 6 种工质为研究对象，考察基本o r c 系统以及改进型o r c 系统( 综合了回热器和抽气回热方式) 的性能；研究结果表明，干流体的热效率在 改进型o r c 系统中提升了1 6 5 。 l i u 等 1 1 以废热源驱动的o r c 系统为研究对象，以热效率以及热回收效率 为考察指标，考察不同工质对系统性能的影响。 第一章绪论 s a l e h 等旧以及l a i 等研究者针对低温( 1 0 0 。c 或以上) 以及高温( 2 5 0 。e 或以 上1 低温资源驱动的o r c 系统，筛选适宜的工质；考察的系统参数主要包括热效 率、汽轮机进口体积流量和膨胀比，结果表明r 1 5 2 a 和环戊烷分别为低温和高温 工况下的推荐工质。 1 3 2 膨胀机的研究 膨胀部件作为动力循环系统的关键部件，其性能( 运行可靠性、效率) 和造价， 极大地影响着中低温热源发电系统的技术经济性。研制和选用可靠、高效、低造 价的膨胀部件，对于改善中低温热源发电系统的技术经济性、促进中低温热源利 用，并因而减小化石燃料消耗、减小燃烧化石燃料相应的温室气体和各类环境污 染物的排放，具有重要意义。 膨胀机的类型可以分为容积型和速度型两种。容积型膨胀机利用高压制冷剂 蒸汽在膨胀机中膨胀产生输出功，适用于小流量、大膨胀比的工况，常见的容积 型膨胀机有：涡旋式膨胀机、活塞式膨胀机、旋叶时膨胀机、摆线式膨胀机等。 速度型膨胀机先将蒸汽的热能转化为动能，然后让高速的制冷剂气流推动叶轮作 功，适合于流量大的工况，常见的速度型膨胀机有：轴流式汽轮机、辐流式汽轮 机。 p e t e r s o n 等【1 3 1 在回热型有机朗肯循环中采用了涡旋式膨胀机，当热源温度在 1 6 5 c 至1 8 3 范围内时，系统的热效率为7 2 ，而膨胀机的效率只有4 5 - 5 0 。 m a t h i a s 等【1 4 】实验测试了摆线膨胀机和涡旋膨胀机利用低级能源的性能，结 果显示两者都可以很好的应用于有机朗肯循环系统中；摆线式膨胀机和涡旋膨胀 机作功分别为2 0 7 k w 和2 9 6 k w ，等熵效率分别为0 8 5 和0 8 3 。 国内方面，1 9 9 1 年，文酬”】对涡旋膨胀机进行了理论计算和实验研究，实 验用涡旋膨胀机是由日本三电公司生产的t “0 汽车空调用冷冻压缩机改装而 来，以空气为工质将供气量q s 、平均输出力矩t 、输出功率l 及绝热效率等与 转速的关系的实验值和理论值进行了比较，得出一些规律；理论计算中存在的不 足是没有考虑真实型线对压缩机排气角的影响，而压缩机排气角会影响到膨胀机 的供气量和膨胀比，所以理论计算值可能存在很大误差。 各类膨胀部件中，涡旋膨胀机具有定熵效率高、容积效率高、结构简单、 运行平稳可靠、和低造价等突出优点，因而应该成为其适用容量和工况范围( 目 前的单机适用发电容量为 5 0 k w ，工质膨胀比在2 左右) 内中低温热源发电系统 的首选膨胀做功部件。目前，关于涡旋膨胀机的研究和应用还相对较少，本文旨 在通过对中低温o r c 发电系统涡旋膨胀机工作过程的分析研究，揭示涡旋膨胀 第一章绪论 机定熵效率的影响因素，进而探讨可能的效率改进措施，为涡旋膨胀机的设计优 化和中低温发电系统的涡旋膨胀机选型设计、系统循环参数优化，提供依据。 1 3 3 涡旋膨胀机的研究 涡旋压缩机最早由法国人c r e u x 发明，并于1 9 0 5 年在美国申请了专利。但 是在初始阶段由于存在各种技术障碍，例如涡旋体加工困难、轴向力不能稳定平 衡、防自转机构不灵活、轴向和径向密封机构不完善等，导致其难于应用。直至 上世纪7 0 年代，美国的a d l 公司才取得走向实用化的突破性进展。日本三电公 司从美国引进该技术专利后，于1 9 8 2 年首先开发出汽车空调用涡旋式压缩机t r 系列，从此涡旋压缩机便在各种冷冻空调系统中相继得到应用。涡旋压缩机具有 运转平稳、噪音低、效率高、零部件少以及可在1 3 0 0 0 r m i n 下超高速运行等其 它机型所没有的优点，因此自实用化开始便牢固的占领了市场。 涡旋膨胀机的膨胀过程是涡旋压缩机的压缩过程的逆过程，涡旋压缩机利用 外部提供的机械功将吸进的低压气体压缩成高压气体后排出，而涡旋膨胀机则利 用高压进气在各腔中膨胀后向外部输出机械功；当涡旋压缩机的高压排气逆流并 推动压机反向转动时，压缩过程便成为膨胀过程，涡旋压缩机也即成为涡旋膨胀 机。因此，现有的涡旋压缩机在某种程度上都可当做涡旋膨胀机来使用，涡旋膨 胀机的基本结构、技术和型线的几何理论都可沿用涡旋压缩机相应的结构、技术 和理论；当然除此之外涡旋膨胀机也有有别于涡旋压缩机的地方，比如涡旋膨胀 机不可利用压差回油，在一些场合涡旋膨胀机的进气压力可能会远远大于压缩机 的排气压力等等。 涡旋膨胀机与涡旋压缩机结构相似，因此它也具有涡旋压缩机的许多优良性 能： ( 1 ) 效率高 涡旋膨胀机从进气到排气要经过多圈完成，相邻两膨胀腔压差小，加之采取 轴向和径向密封，气体的泄漏量小。无需吸、排气阀，可减小流动中的压力损失。 无余隙气体膨胀过程。动盘的偏心距小，一般为3 - 5 m m 。动静盘具有较小的相 对速度，摩擦损失小。 ( 2 ) 噪音低、运行平稳 涡旋膨胀机同时进行连续的吸排气过程，气流脉动小。多个膨胀腔同时工作， 转矩变化小。 ( 3 ) 零件少、重量轻、可靠性高。 ( 4 ) 可适应较宽的 二况范围。 6 第一章绪论 1 4 本文研究的内容 本文在前人对涡旋膨胀机研究的基础上，基于实际涡旋膨胀机型线理论，对 涡旋膨胀机进行了工作过程分析与实验研究： 1 ) 由一般的涡旋压缩机型线理论推导涡旋膨胀机的型线理论；研究并测量实 际涡旋型线的几何构造；对实际涡旋膨胀机进行热力分析与模拟。 2 ) 分析容积效率、等熵效率的影响因素与计算方法，辨别这两个性能参数的 一般定义或计算方法是否有效，若存在缺陷则相应提出改进方法。 3 ) 对涡旋膨胀机进行实验，结合实验数据与等熵膨胀过程模拟，探索涡旋膨 胀机的一般性能和新的泄漏模型的有效性以及评价膨胀机真实膨胀效率的参数。 通过本课题的研究，将为涡旋膨胀机的理论与实验性能评价方法提供参考， 为深入的研究涡旋膨胀机与o r c 的匹配性奠定基础。 第二章涡旋膨胀机的几何理论与过程模拟 第二章涡旋膨胀机的几何理论与过程模拟 本章从涡旋膨胀机涡盘型线的基本理论出发，先阐述了未经修正的理论型线 的生成函数及相关的几何参数，在此基础上引出了膨胀腔容积及进气腔容积的计 算方法；然后为了对实验用涡旋膨胀机有更深入的认识，对它的基本结构和基本 技术做了简单介绍，紧接着确定了实验用涡旋膨胀机的齿端修正方法并通过测 量、绘图、比对等工序得到了型线的基本参数及齿端修正参数，在此基础上绘出 了膨胀机的啮合过程图及膨胀腔形成的相位和对应关系图；基于上述几何理论对 实验用涡旋膨胀机进行了热力分析及模拟，得出了压力和容积随主轴转角的变化 曲线以及输出力矩、转矩比随主轴转角的变化曲线，由此可以看出涡旋膨胀机的 转矩随主轴转角变化很小，这保证了涡旋膨胀机相比其他类型膨胀机的运行要更 加平稳、可靠。 2 1 涡旋膨胀机的基本几何理论 2 1 1 涡旋体型线 涡旋体型线可以采用螺线，也可以采用线段、正多角形、或圆的渐开线，圆 的渐开线是一条用无限短的圆弧连接、曲率连续变化的曲线，与其他型线相比圆 的渐开线有许多优点例如：圆的渐开线更容易加工；采用圆的渐开线的涡旋膨胀 机结构更加紧凑、性能更为优良 2 3 1 。因而在工程上通常采用圆的渐开线作为涡旋 体型线。 1 ) 圆的渐开线方程 图2 - 1 为圆的渐开线。直线l 沿某圆周作纯滚动时，直线上任一点a 的轨 迹a k ，被称为圆的渐开线，称某圆是基圆，直线l 为发生线，r 为基圆半径， 为渐开线展角，痧为渐开角，口为渐开线初始角，渐开线方程为 x = r k o s 眵十口) + s i n + 口) j ，1 、 y ：r 【s i n 够+ 口) 一c o s + 口) 】 吖 图2 1 圆的渐开线 2 ) 涡旋体婴，絮匣涡薄内外壁是由不同初始角棚和叫的渐开线 苫于凳旋体耄二甓i 渊淼方穆 构成，如图2 2 所示。根据式( 2 1 ) 可写出祸肥。降引墨俐“ 脚磁旆为津搭耋揽：鹤 ) y ，= ，1 s m 、婊十“，一” “ 艚渐豺黝麓端：二麓龋 ) y o = r l s m 妒。一“，r o 、1 。 ” 3 ) 涡旋参数。 翥旋式膨胀机的主要涡旋参数有 基圆半径 ， 渐开线起始角 岱 涡旋体壁厚t = 2 7 涡旋体节距p = 2 万 涡旋体高h 平移回转半径 r = 0 5 ( p 一2 ) 膨胀腔对数 n 第二章涡旋膨胀机的几何理论与过程模拟 图2 - 2 涡旋体的内外壁渐开线 2 1 2 膨胀腔容积及进气容积 x 将两个相同涡旋参数的涡旋体中的一个旋转1 8 0 0 ，在平移回转半径r 的距 离，使两涡旋体相互相切接触，可以形成若干对月牙形空间，这就是涡旋膨胀机 的膨胀腔容积。如图2 3 示出圈数为3 2 5 时形成的三对月牙形面积，将膨胀腔由 内到外编序为1 、2 、3 腔。 3 图2 3 涡旋体膨胀腔 1 ) 渐开线与基圆所围面积 按积分法计算圆的渐开线与基圆的面积，其微元面积搬可近视等于张角为 螂，半径是r 巾的扇形面积，即 1 0 第二章涡旋膨胀机的几何理论与过程模拟 d sz 去( r ) 2 删 则渐开线与基圆所围面积为 s = 知= 劈2 妒抄( 2 - 4 )s = p = 俜埘妒吉r 2 3 00 。 ” 2 ) 各膨胀腔的投影面积及膨胀腔容积 首先求编号为2 的投影面积和膨胀腔容积，若动涡旋体相对于静涡旋体的回 转角( 又称为曲轴转角) 为护，则2 腔的投影面积s ，为 s ：= 2 a t 2 d 一2 0 t ) | f 3 7 r 一( 2 万一p ) 】 ( 2 - 5 ) 引入涡旋体节距尸和涡旋体壁厚t ，编号为2 的膨胀腔容积为 吃瑙：而：艘p 砌 i 3 一堕型l ( 2 - 6 ) 石 同理可以求出编号为3 的一对膨胀腔的容积 = 才呻r ) 5 一掣 乃 p 7 ， 当两涡旋体构成的膨胀腔大于三个，那么除1 号一对膨胀腔以外的任一对膨 胀腔容积的通用计算式为 _ ：艘c p 砌f 2 i - 1 一坠到厅( 2 - 8 ) 编号为1 的膨胀腔称为中心膨胀腔，中心膨胀腔与膨胀机的进气口连通 当曲轴转角0 呻，i 0 2 n 时 k = ，2 厅 ( 吾万一口一( 2 万一目) ) 3 一( 三万一口一( 2 万一目) ) 3 一2 口( 三石一目) 2 一；口3 一s ( 2 9 ) 当曲轴转角o 0 0 唧i 时， 忙谁胁砷州) 3 一陆舡一卅叱棚) 2 一 ( 2 - 1 0 ) 式( 2 9 ) 和( 2 - 1 0 ) q bs 由膨胀机的几何尺寸确定 f s = ( f f 一4 口) r 22 r s = 万一4 口+ 2 a r c c o s ( 三一口) 一仞一2 口，s ；n a r c c d 三一口) r 2 r 2 - 1 1 第二章涡旋膨胀机的几何理论与过程模拟 3 ) 膨胀机的进气容积， 当动涡旋体转角口转动到膨胀机的进气结束角，( 或膨胀开始角) 时，从膨 胀机的中心腔分离出一对膨胀腔，气体在该腔中开始膨胀，该膨胀腔即为第二腔， 此时的第二腔容积即为膨胀机的进气容积。所以进气容积，为 肾舡2 ，下3 一掣1 西 ( 2 - 1 2 ) 2 2 实验用涡旋膨胀机的结构与测量 由于开式的汽车涡旋压缩机结构简单、拆装方便、易损件少，所以为一般涡 旋膨胀机的首选机型，根据涡旋压缩机的生产厂家的不同，涡旋压缩机的型线结 构也有很大不同，特别是在涡旋盘的齿端修正上细微的不同都可能产生很大的差 异，所以有必要对实验用涡旋膨胀机的结构有全面了解，对涡旋盘型线尺寸进行 准确测量，这是准确评价实验用涡旋膨胀机性能和o r c 系统性能的基础。 2 2 1 实验用涡旋膨胀机介绍 在中低温地热有机朗肯循环系统中采用的膨胀作功部件涡旋膨胀机的 型号为南京奥特佳a t c 4 0 c 2 汽车空调涡旋压缩机改装涡旋膨胀机。图2 4 为该 涡旋膨胀机的剖面图。涡旋膨胀机由机壳、静盘、动盘、球形止推和防自转轴承、 偏心轴套、偏心轴、平衡重、前盖及离合器等零部件组成( 实际应用时将离合器 拆除) 。 图2 4 汽车空调用涡旋压缩机 第二章涡旋膨胀机的几何理论与过程模拟 1 一静涡旋体2 一机壳3 一排气阀4 一动涡旋体5 一径向柔性机构6 一平衡块 7 一主轴承8 一曲轴9 一电磁离合器1 0 一副轴承11 一轴封1 2 一轴承座1 3 一球形联 接器l 仁油池 1 ) 在整体结构上的特点： 动、静涡旋盘都采用铝合金材料，在涡旋盘断面上开设有涡旋状的槽，槽中 放在有密封条，用于密封轴向间隙。动涡旋盘进行了硬质阳极氧化膜处理。为确 保铝合金材料制作的静涡盘的耐磨性，在静涡盘的侧面板上嵌了耐磨板，以防止 动涡旋盘的涡旋体端部对侧面板的磨损。偏心轴由设置在支架上的两个轴承支承 着，带轮一端的轴承用黄油润滑。由动涡旋盘驱动曲轴的连接处的曲柄销作用力 很大，容易引起较大的摩擦和磨损，因此通过滚针轴承来传递动涡旋盘对曲柄销 的驱动力。轴端密封采用双唇形密封结构，提高了密封效果。 2 1 防自转机构及密封技术 该涡旋膨胀机采用球形联轴器来防止动涡旋盘自转，除此之外球形联轴器还 可以平衡气体力对动涡旋盘的作用。为了获得稳定的高性能，采用了镶片密封技 术，即用优质的p t f e 树脂等耐磨、耐温性能良好的密封条，防止膨胀腔气体通 过轴向间隙泄漏。 3 ) 润滑方式及膨胀机内的油量 涡旋膨胀机的润滑方法是通过工质中溶油和压力供油来润滑的。涡旋膨胀机 的进气口与膨胀机外壳之间有油池，可以用来存放润滑油，油池中的润滑油一部 分通过于溶于膨胀机进气的方式被带入膨胀机中，润滑动、静涡旋盘，球形联轴 器和轴承；一部分从油池底部的油道中节流进入低压曲轴室中，润滑轴承和驱动 机构。在大型的o r c 系统中必须装有油分离器和油泵，来保证膨胀机内润滑油 充足与换热器的性能不受润滑油影响，因此膨胀机出口被工质带出来的润滑油经 过油分和油泵后便重新回到膨胀机的油池中。在以纯质r 2 4 5 f a 为工质的涡旋膨 胀机中采用与r 2 4 5 f a 互溶性好的p o e 冷冻油做为润滑油。 2 2 2 实验用涡旋膨胀机齿端修正方法 涡旋膨胀机在实际应用中需要对理论型线的齿端进行修正，涡旋体齿端型线 的修正方法有许多，不同的修正方法对涡旋体的性能影响很大。涡旋体齿端的修 正方法多是属于圆弧类修正方法，它是采用圆弧和直线对涡旋齿端进行修正，这 种方法具有简单、可靠等特性幽l 。圆弧类修正方法具有很多种类如图2 5 所示： 第二章涡旋膨胀机的几何理论与过程模拟 鼹弧类齿型罄正 f 猢睡黼懈耋裟黝缈 滁懈。；篇勰黧繁铲 l 不等p 角圈秧t i e 哪a ) 纂笛裟裟嫠篙鬟产 t 不等口角不对称豳弧加直线侈正椰a a a l ) r 直线切割齿 正广钲一b u 齿腻黧巍 i 髓姚修正一( 嚣篓萎嚣渊 圆弧类修正的中的e a 类各种不同的修正齿型都是在由一种基础修正齿型衍 生而来的，该齿型如图2 - 6 所示， 蜃 、 添 翼 掣j r 。i 图2 - 6 ( 等b 角圆弧) e a 类修正基础齿型 涡旋体中线展角相差兀的齿端内、外侧型线分别一大一小的两段外切圆弧代替， 圆弧和涡旋型线之间光滑连接。称大圆弧为修正圆弧，小圆弧为连接圆弧，两圆 弧的半径差等于膨胀机的主轴平移回转半径r 。因为这种修正齿型的动、静涡旋 盘的齿端相应侧涡旋线上的修正起始点具有相同的中心线展角，故称为等p 角修 正，并将由它衍生出的其他修正齿型称为e a ( e q u a la n g l em o d i f i c a t i o n ) 类修正 2 8 】。当两侧涡旋线的修正起始点的中心线展角不相等时称为不等p 角修正，将这 中修正的其他衍生修正方法称为u a ( u n e q u a la n g l e m o d i f i c a t i o n ) 类修正。 1 ) 无余隙圆弧类修正齿型能有效提高膨胀机的内容积比也即提高了膨胀机 的内膨胀比，适用于热源温度较高的o r c 系统中。无余隙修正方法既可以是等 1 4 第二章涡旋膨胀机的几何理论与过程模拟 1 3 修正又可以是不等d 修正。 2 ) 有余隙圆弧类修正齿型 在满足设计内容积比的情况下将涡旋齿中心部分的一部分齿壁以某种方式 切削掉。切削后的齿型不再满足零余隙啮合的要求，因此称为有余隙修正。有余 隙修正齿端相对无余隙修正而言，在一定程度上增加了膨胀机中心腔的面积，减 小了进气损失。汽车空调压缩机的齿端修正型式一般为等p 角对称圆弧加直线修 j 正( e a s a l ) 或者从它衍生出的有余隙修正齿型蹦j 。 本实验系统用涡旋膨胀机的齿型修正即为圆弧加直线齿型修正( e a - s a l ) 衍 生出的用圆弧切削连接圆弧后形成的齿型，如图2 7 所示， 修正后的动、静盘可实现零余隙啮合同时修正后的齿端壁面一阶连续，因而 图2 7 实验用涡旋膨胀机的涡旋盘与涡旋齿端修正 y 循 、 ? 善 ， 一 图2 - 8 e a s a l 的一种衍生方法对连接圆弧进行切削 笙三至塑塑些些垫竺些堡堡垒皇塾堡堡垫 图2 - 8 演示的是该修正方法简图，从图中可知，此修正方法在等1 3 角对称圆 弧加直线的齿型修正基础上，用一段半径较大的圆弧对基础齿型的连接圆弧又加 以修正，将连接圆弧的一部分切削掉了，以使动、静涡旋盘在中心腔提前脱啮， 因此，该修正方法为有余隙修正，这一点在后面的图示中将得到反映。 2 2 3 实验用涡旋膨胀机涡旋盘参数的测量 需要测量的涡旋盘结构参数分为两种，一种是基本结构参数，包括涡旋体节 距尸，涡旋体壁厚r ，涡旋体高矗和涡旋体终端展角色，由这几个参数能进一步 推导出涡旋体基圆半径r 和渐开线初始展角口；另外一种是涡旋体齿端修正的结 构参数，需要在确定基本结构参数的基础上进行比对测量。 经反复测量、绘图、与原型比对后得到较为精确的涡旋体基本结构参数如下： 涡旋体节距p = 2 5 7 r a m ， 涡旋体壁厚t = 5 r a m ， 涡旋体基圆半径 ，= 4 0 9 r a m ， 涡旋体高h = 5 2 r a m 渐开线起始角 a = 3 5 。， 中心渐开线终端展角眈= 9 7 4 。 确定出涡旋体的基本结构参数以后，便可以绘制出未加齿端修正的涡旋体的 型线图如图2 - 9 所示， 二 、 0 7 露惑、 沁姆渤汤 7 图2 - 9 实验用涡旋膨胀机基本结构参数 x 将绘制的理论涡旋型线图与涡旋盘加以比对，测量出较为精确的涡旋盘的齿 第二章涡旋膨胀机的几何理论与过程模拟 ：一 端修正参数，然后将修正参数导入a u t c a d 中绘制出涡旋盘齿端修正图2 - 1 0 。 ，么蒡 旗 x 图2 1 0 实验用涡旋膨胀机齿端型线修正图与修正参数e a s a l 衍生齿型修正 图中示出的参数为齿端修正参数( 修正原理和参数的具体意义详见文献口副) ： 修正圆弧半径r ：= 1 0 9 m m 连接圆弧半径 r 。= 3 r a m 修正直线长度l = 1 2 5 4 r a m 修正起始点中心展角= 1 2 3 。 修正后的涡旋体型线图如下： 图2 1l 实验用涡旋膨胀机修正后的型线图 通过对涡旋体基本结构参数和涡旋齿端修正参数的测量，得到了反映涡旋体 1 7 第二章涡旋膨胀机的几何理论与过程模拟 型线结构的大部分参数，在此基础上将所有参数导入m a t l a b 中绘制涡旋膨胀 机动、静涡旋盘在不同主轴转角下的啮合图，从该图中进一步研究实验用涡旋膨 胀机的整体几何结构以及涡旋膨胀机的开始膨胀角，的大小，如图2 - 1 2 所示 即为动、静涡旋盘在不同主轴转角下的啮合图。 ：。、 一 一“。，一。、- 。一。二j 。 o o 2 0 0 一一一“- 一 一一一一 ” _ i 一二? 、 一 “、 -“ 、 ： 一一 涡 一。 、一 排 第二章涡旋膨胀机的几何理论与过程模拟 p ， 1 2 0 。 ”j j 一 ，。_ = 一 1 4 0 0 ；、一一ij -ij 一1 “4 1 6 0 。1 8 0 0 一 一， “； 一 1 9 0 0 一 ：、”“ 。、 2 2 0 0 1 9 一一：1 ：v 2 0 0 。 2 4 0 。 第二章涡旋膨胀机的几何理论与过程模拟 7 广“ 。j 一 ， 、：二_ “ 3 2 0 0 一 ，i _ _ 4 ?： “ 3 4 0 03 6 0 0 图2 1 2 动、静涡旋盘在不同主轴转角下的啮合图( 图中的角度为主轴转角) 图2 1 2 中示出了主轴转角变化一个行程动、静涡旋盘的啮合图，圆孔为膨 胀机的进气孔，静涡旋盘在整个形程中保持静止状态，动涡旋盘以逆时针方向绕 静涡旋盘作无自转的平移回转运动，平移回转半径为r ，动盘齿端在