渦旋壓縮機(jī)內(nèi)泄漏與密封技術(shù)研究進(jìn)展

李　炅，張秀平，周　到，胡繼孫

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230088）

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渦旋壓縮機(jī)內(nèi)泄漏與密封技術(shù)研究進(jìn)展

李炅*，張秀平，周到，胡繼孫

[摘 要]渦旋壓縮機(jī)是一種理想的小排量容積式壓縮機(jī)，但其泄漏問題與密封技術(shù)一直是阻礙渦旋壓縮機(jī)發(fā)展的主要障礙之一。本文對渦旋壓縮機(jī)的內(nèi)泄漏問題進(jìn)行了概述，分析了前期基于理論模型和試驗(yàn)研究方法對于切向泄漏和徑向泄漏開展的研究。同時(shí)還對渦旋壓縮機(jī)的密封技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)說明，從油膜密封、密封條、迷宮密封技術(shù)和背壓密封四方面進(jìn)行了分析。

[關(guān)鍵詞]渦旋壓縮機(jī)；泄漏；密封；模型

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230088）

*李炅(1984-)，男，副研究員，博士。研究方向：工程熱物理。聯(lián)系地址：安徽省合肥市高新區(qū)天湖路29號，郵編：230088。E-mail：lijionggd@163.com。

0 前言

渦旋壓縮機(jī)以其高效率、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、振動(dòng)小及噪聲低等特點(diǎn)，在空調(diào)、熱泵和冷凍冷藏領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但對渦旋機(jī)械而言，泄漏問題仍然是阻礙其應(yīng)用推廣的主要障礙之一[1-3]。渦旋壓縮機(jī)中主要有內(nèi)、外泄漏兩種形式。靜渦盤與支架體的結(jié)合面泄漏、曲軸與壓蓋的間隙泄漏屬于外泄漏，外泄漏影響排氣量，降低了容積效率和整機(jī)性能[2]。動(dòng)、靜渦盤結(jié)合面的端面泄漏、通過軸向間隙的徑向泄漏和徑向間隙的切向泄漏屬于內(nèi)泄漏，內(nèi)泄漏也會(huì)一定程度上影響渦旋壓縮機(jī)的性能[4]。渦旋壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)決定了其特殊的泄漏通道，為了開發(fā)安全、高效的渦旋壓縮機(jī)，減小泄漏對渦旋壓縮機(jī)技術(shù)的發(fā)展意義重大。

本文需要從渦旋壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，主要針對內(nèi)泄漏進(jìn)行分析，從理論模型和試驗(yàn)研究的角度總結(jié)研究泄漏量的方法。并通過對油膜密封、密封條、迷宮密封和背壓密封技術(shù)等的調(diào)研，分析目前的密封方法和結(jié)構(gòu)形式，提出減小泄漏問題的方法。

1 內(nèi)泄漏形式

渦旋壓縮機(jī)的內(nèi)泄漏形式主要是通過徑向間隙的切向泄漏和通過軸向間隙的徑向泄漏,還包括端面泄漏等其它形式的泄漏。

切向泄漏是由于在壓差的作用下，制冷劑通過動(dòng)、靜渦盤的內(nèi)外側(cè)型線之間存在的徑向間隙造成的泄漏。徑向間隙包括加工誤差、裝配精度偏差以及各運(yùn)動(dòng)部件的磨損而形成的靜態(tài)間隙和運(yùn)行過程中軸承的油膜承壓不均勻或十字環(huán)的加工誤差所引起的動(dòng)態(tài)間隙。

徑向泄漏是由動(dòng)靜渦盤二者頂端與盤底之間的軸向間隙，在壓差的作用下而引起的制冷劑泄漏。引起軸向間隙的因素包括渦盤渦圈高度的加工誤差，渦盤安裝精度，渦旋齒的磨損和變形等。相對來說，軸向間隙的泄漏線長度比徑向間隙的泄漏線長度大得多，因此阻止徑向泄漏對提高整機(jī)性能有重要作用。

端面泄漏是由于動(dòng)渦旋盤處于浮動(dòng)狀態(tài)而造成的，在剛啟動(dòng)時(shí)背壓腔處于常壓，動(dòng)渦盤受到軸向氣體力的作用而脫離靜渦盤，導(dǎo)致端面泄漏，但隨著背壓腔氣體壓力的升高，動(dòng)渦盤逐漸靠向靜渦盤，由油膜和密封條的作用形成密封[5-6]。

2 內(nèi)泄漏的模型及計(jì)算

渦旋壓縮機(jī)的泄漏是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，其泄漏模型的建立需考慮的因素包括泄漏工質(zhì)是否可壓縮、是否按一維處理、是否穩(wěn)定流動(dòng)等[6-7]。下面是幾種常見的泄漏模型。

1) 噴管泄漏模型

這種模型把靜渦盤和動(dòng)渦盤之間的由大到小的間隙簡化成一個(gè)理想收縮噴管，工質(zhì)以均相流動(dòng)，假設(shè)噴管與外界沒有熱交換，工質(zhì)在噴管內(nèi)流動(dòng)時(shí)無摩擦。這種模型對于純氣體、氣體和潤滑油的混合物均適用[8]。

2) 范諾流模型

與理想噴管泄漏模型相比，范諾流模型考慮了流體粘性對流體流動(dòng)的影響，這對于切向泄漏比較接近實(shí)際情況。范諾流模型將切向泄漏通道假設(shè)成為一段噴管和一段等截面直管相連的通道，等截面直管的長度根據(jù)泄漏前后摩擦效應(yīng)保持相等的原則確定[9]。

3) 純氣體二維N-S方程模型

純氣體二維N-S方程模型同時(shí)考慮了流體的粘性對流體流動(dòng)的影響和流體的慣性力對泄漏的影響，采用連續(xù)方程，二維N-S方程及氣體狀態(tài)方程，通過編程計(jì)算得到較精確的數(shù)值解。但這種方法比較復(fù)雜，計(jì)算量較大[10]。

4) 兩相流泄漏模型

日本研究人員提出了制冷劑與油混合的兩相流模型，將渦旋壓縮機(jī)中制冷劑的流動(dòng)假設(shè)為不可壓縮的粘性流動(dòng)，提出了一個(gè)潤滑油粘附率的參數(shù)，用于反映渦圈壁上油膜的大概厚度。將模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，證明了模型的準(zhǔn)確性和精確度[11]。

5) 漸開線環(huán)與平板間的間隙流模型

這是一種適合于純氣體或氣相占主要成分的均相流的徑向泄漏模型。靜止時(shí)，制冷劑沿平行平板間的徑向泄漏是平行的，但是在運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)際徑向泄漏是沿著漸開線的法線方向的流動(dòng)，如圖3。這種可壓縮流體通過漸開線半圓環(huán)與平板間的間隙流動(dòng)來進(jìn)行簡化，只考慮因壓差作用引起的泄漏流動(dòng)[12]。

圖1　噴管泄漏模型計(jì)算切向泄漏示意圖

圖2　范諾流模型計(jì)算徑向泄漏示意圖

圖3　漸開線環(huán)與平板間的間隙流模型計(jì)算徑向泄漏示意圖

天津大學(xué)馬一太等[13]采用噴管泄漏模型和流經(jīng)漸開線環(huán)和平板間的流動(dòng)模型對CO2渦旋壓縮機(jī)切向泄漏和徑向泄漏進(jìn)行了計(jì)算，對影響泄漏的參數(shù)排氣壓力、蒸發(fā)溫度（吸氣壓力）和吸氣過熱度進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，排氣壓力對切向泄漏的影響不明顯，提高蒸發(fā)溫度可以減小CO2渦旋壓縮機(jī)的泄漏量，吸氣過熱度對CO2渦旋壓縮機(jī)所有泄漏量的影響均不大。

CHEN等[14]采用噴管模型和范諾流模型對微型渦旋壓縮機(jī)的切向泄漏和徑向泄漏進(jìn)行了理論計(jì)算，如圖4所示。結(jié)果顯示，在不采用軸向間隙密封的情況下，徑向泄漏要大于切向泄漏，因此，為減少徑向泄漏，宜采用軸向間隙泄漏線較短的型線。在間隙偏大或基圓半徑偏小的情況下，內(nèi)泄漏要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外泄漏，這直接導(dǎo)致壓縮機(jī)功耗迅速增加、運(yùn)行環(huán)境惡化、系統(tǒng)效率驟降。

圖4　泄漏量隨間隙的變化

蘭州理工大學(xué)李超等[15]利用N-S方程和分形理論來計(jì)算間隙氣體泄漏量，研究氣體泄漏量與動(dòng)靜渦旋表面分形參數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，存在使氣體泄漏量達(dá)到最小的最佳分形維數(shù)，可以通過改變動(dòng)靜渦旋表面分形參數(shù)有效降低氣體泄漏量。

3 泄漏量的試驗(yàn)測定

蘭州理工大學(xué)劉興旺等[16]模仿渦旋壓縮機(jī)壓縮過程，建立了高壓腔和低壓腔切向泄漏模型，模型照片見圖5。模型中兩腔體之間只有沿頂隙的切向泄漏，設(shè)置的縫口調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)切向泄漏間隙的大小。同樣地，劉興旺等[17]模仿壓縮機(jī)渦盤運(yùn)動(dòng)規(guī)律，加工了徑向泄漏模型，模型中利用墊片，高壓腔的底部和低壓腔的底部完全隔開，僅有兩腔體頂部有泄漏間隙，如圖6。試驗(yàn)前先抽真空，再利用高精度微調(diào)閥調(diào)節(jié)兩模擬壓縮腔的壓力，使其分別保持在給定曲柄轉(zhuǎn)角下的壓縮機(jī)的高壓腔和低壓腔的壓力下，測出某一時(shí)間段內(nèi)真空儲罐中的壓力升值，折算出切向泄漏量，試驗(yàn)流程如圖7所示。

對于這種測試方法一定程度上可以分析切向泄漏和徑向泄漏隨相鄰壓縮腔壓差的變化規(guī)律，用于指導(dǎo)減小泄漏的技術(shù)方法測定。但由于切向泄漏和徑向泄漏同時(shí)發(fā)生，不能單獨(dú)準(zhǔn)確地測量各自泄漏量，進(jìn)行定量的研究，而且目前的模型不能代表渦旋壓縮機(jī)渦盤準(zhǔn)確運(yùn)行情況，所以需要開發(fā)在渦旋壓縮機(jī)上進(jìn)行的泄漏量測定的試驗(yàn)方法。

圖5　切向泄漏壓縮腔模型

圖6　徑向泄漏壓縮腔模型

4 密封技術(shù)

4.1 油膜密封

上海理工大學(xué)王海民等[18]指出渦旋壓縮機(jī)徑向泄漏的密封靠油膜來完成，由于渦旋壓縮機(jī)在壓縮過程中，氣體制冷劑攜帶冷凍油在動(dòng)靜盤壁上形成薄油膜，進(jìn)而在不同的壓縮腔的分界面處隔斷不同壓力的氣體。隨著壓縮氣體時(shí)每個(gè)壓縮腔的容積和邊界不斷地發(fā)生改變，動(dòng)盤不斷運(yùn)動(dòng)的過程在徑向不斷地建立油膜邊界，靠油膜的表面張力來實(shí)現(xiàn)的切向密封。蘭州理工大學(xué)王君等[19]通過在動(dòng)渦旋盤與支架體間安裝潤滑油密封結(jié)構(gòu)，精確地控制從曲軸箱漏入工作腔的潤滑油量，保證了動(dòng)靜渦旋齒摩擦副的潤滑，減小了背壓腔氣體向吸氣口的泄漏。

圖7　切向泄漏量測定試驗(yàn)流程圖

4.2 密封條

密封條的主要作用是密封軸向間隙，防止氣體的徑向泄漏。分別在動(dòng)、靜渦旋齒頂上開設(shè)溝槽，安裝密封條，背向高壓氣體將密封條在動(dòng)靜渦盤之間緊壓，形成密封。密封條應(yīng)該選用具有良好的密封性能、耐高溫、耐磨性能、和自潤滑性能。聚四氟乙烯是常用的一種潤滑材料，具有以上特點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用作為密封材料，但它的缺點(diǎn)是尺寸穩(wěn)定性差、導(dǎo)熱性差、線膨脹系數(shù)大，在較大載荷下呈現(xiàn)蠕變。經(jīng)過分析采用石墨、二硫化鉬填充的聚四氟乙烯材料作為密封條材料，可以大大提高密封條的使用壽命，降低摩擦損失[20]。

4.3 迷宮密封

基于渦旋壓縮機(jī)切向泄漏及徑向泄漏問題，研究人員提出了基于迷宮效應(yīng)的渦旋齒的切向和徑向密封結(jié)構(gòu)。蘭州理工大學(xué)劉興旺等[16]提出了在渦旋齒的一個(gè)側(cè)面開設(shè)迷宮槽的切向密封,基本結(jié)構(gòu)如圖8所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定，切向迷宮密封的泄漏量為切向光滑間隙密封的泄漏量的46.3％，泄漏量大大減少，說明切向迷宮密封的密封性能明顯優(yōu)于切向光滑間隙密封[16]。同時(shí)提出了徑向迷宮密封，即在渦旋齒齒頂表面按一定排列方式和尺寸開設(shè)迷宮槽的結(jié)構(gòu)，如圖9所示[17]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定，徑向迷宮密封的泄漏量為徑向光滑間隙密封的泄漏量的79％，泄漏量大大減少，說明徑向迷宮密封的密封性能明顯優(yōu)于徑向光滑間隙密封[17]。

圖8　動(dòng)渦旋齒側(cè)壁開設(shè)迷宮槽的切向密封結(jié)構(gòu)

圖9　沿渦旋齒壁厚方向的徑向迷宮密封

4.4 背壓密封技術(shù)

在渦旋背壓密封的設(shè)計(jì)研究中，其渦旋盤較大軸向氣體力的平衡是渦旋壓縮機(jī)設(shè)計(jì)研究中的關(guān)鍵技術(shù)之一。已有的平衡方法主要采用動(dòng)渦旋盤引入背壓和加裝彈簧；背壓和加裝彈簧的區(qū)別在于，引入背壓所產(chǎn)生的軸向氣體力的大小由壓縮機(jī)的運(yùn)行工況決定,壓縮機(jī)變工況適應(yīng)性較好；而加彈簧等彈性元件產(chǎn)生的是固定的軸向力，啟動(dòng)時(shí)的摩擦磨損較大，變工況的適應(yīng)性較差。在靜渦旋盤上開設(shè)背壓平衡孔，把壓縮室的氣體引入到嵌套在靜渦旋盤上的密封組件中，這時(shí)在密封組件內(nèi)部將充滿高壓氣體，這部分氣體將產(chǎn)生壓力，沿徑向的壓力將使密封組件的橡膠皮墊向外擴(kuò)展，產(chǎn)生彈性變形,堵住密封組件中端蓋與靜渦旋盤之間的間隙，實(shí)現(xiàn)氣體的密封，軸向的壓力可以平衡靜渦旋盤所受的軸向氣體力，驅(qū)使靜渦旋盤沿軸向和動(dòng)渦旋盤接觸，確保軸向間隙的密封，如圖10所示[21]。

圖10　靜渦旋盤開孔引入背壓

5 結(jié)論與展望

泄漏問題是制約渦旋壓縮機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。本文對現(xiàn)有的對內(nèi)泄漏問題的研究方法和密封技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研，得出的結(jié)論如下。

1）對于泄漏量的計(jì)算的模型，都是按照簡化模型處理，無論是徑向間隙還是軸向間隙都是按常數(shù)處理，需要找出一種確定間隙值更精確的方法，從而計(jì)算得出更精確的泄漏量。

2）對于泄漏量的試驗(yàn)測定，目前的方法還缺乏精確性，只是進(jìn)行定性的研究，起到一定的參考作用，需要進(jìn)一步開發(fā)在渦旋壓縮機(jī)上進(jìn)行的泄漏量測定的試驗(yàn)方法，進(jìn)行定量的分析。

3）油膜密封和密封條都是較為成熟的技術(shù)。通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證均表明，基于迷宮效應(yīng)的密封技術(shù)優(yōu)于光滑結(jié)構(gòu)的密封效果，這為解決渦旋壓縮機(jī)的切向和徑向泄漏開辟新的思路。在靜渦旋盤上開設(shè)背壓孔的方法在渦旋壓縮機(jī)中也得到了廣泛的應(yīng)用。

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Research Progress of Inner Leakage and Sealing Technology for Scroll Compressor

LI Jiong*,ZHANG Xiu-ping,ZHOU Dao,HU Ji-sun
(Hefei General Machinery Research Institute,Hefei,Anhui 230088,China)

[Abstract]The scroll compressor is an ideal small-displacement displacement compressor.However,its leakage and sealing technology is one of the main obstacles for the development of the scroll compressor.In this paper,the inner leakage of the scroll compressor were summarized,and the existing research on the tangential and radial leakage of the scroll compressor based on theoretical model and experimental methods were analyzed.Meanwhile,the sealing technology of the scroll compressor was also conducted from four aspects,including the seal,film seal,labyrinth seal and back pressure seal technologies.

[Keywords]Scroll compressor; Leakage; Seal; Model

基金項(xiàng)目：安徽省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（No.1301022072）。

doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2016.01.205