渦旋膨脹機(jī)內(nèi)部泄露分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)

劉文舉

摘 要：本文以減小內(nèi)部泄露、提高容積效率為目標(biāo)，對渦旋式膨脹機(jī)的工作原理、產(chǎn)生泄露的原因進(jìn)行分析，并根據(jù)渦旋式膨脹機(jī)的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種新型的軸向浮動機(jī)構(gòu)，完成渦旋式膨脹機(jī)的整體建模優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：渦旋式膨脹機(jī)；軸向浮動機(jī)構(gòu)；靜渦旋盤；三維建模

前 言

渦旋式膨脹機(jī)是通過氣體膨脹做功來獲得能量的機(jī)械，具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、噪聲低、振動小等優(yōu)點(diǎn)，在電廠發(fā)電、余熱回收、動力機(jī)械等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

本文首先根據(jù)渦旋式膨脹機(jī)的工作原理，對渦旋膨脹機(jī)產(chǎn)生間隙泄露的原因進(jìn)行分析，然后對靜渦盤的形式加以改進(jìn)，設(shè)計(jì)靜渦盤軸向浮動機(jī)構(gòu)，最后對改進(jìn)后的渦旋式膨脹機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行三維建模，完成整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

第一章 渦旋式膨脹機(jī)過程原理及理論分析

渦旋式膨脹機(jī)是一種變體積式的膨脹機(jī)，它的工作腔由渦旋型線參數(shù)相同、相位差180o、基圓中心距為r的一對動靜渦盤組成，形成多對封閉近似月牙形的工作腔，高壓氣體從靜渦盤中心處的進(jìn)氣口進(jìn)入工作腔后膨脹做功，推動動渦盤繞靜渦盤中心做圓周軌道運(yùn)動，從而對外輸出機(jī)械功[1]。

以一個膨脹過程所吸入的氣體為研究對象，壓縮氣體通過1（a）所示的靜渦盤的吸氣口進(jìn)入第一膨脹腔，帶動動渦盤轉(zhuǎn)動。隨著主軸轉(zhuǎn)動角度的增加，吸氣量逐漸增多，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)到吸氣結(jié)束角時，吸氣結(jié)束，完成一個膨脹過程中的吸氣過程，此時吸氣量示意如圖1（b）；隨著主軸轉(zhuǎn)角的進(jìn)一步增大，壓縮空氣依次進(jìn)入第二膨脹腔、第三膨脹腔，體積逐漸增大，如圖1（c）、1（d）所示；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動到排氣開始角時，膨脹腔體積最大，此時為壓縮氣體最終狀態(tài)，如圖1（e）所示；然后進(jìn)入排氣過程，氣體隨著主軸轉(zhuǎn)角的增大通過氣體排出口排出膨脹機(jī)體外，結(jié)束膨脹過程。如此重復(fù)著吸氣、膨脹、排氣過程，將壓縮空氣的動能與壓力能轉(zhuǎn)化為主軸的機(jī)械能對外做功。

第二章 靜渦盤軸向浮動機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

2.1方案確定

動渦盤沿軸向方向所承受的氣體力稱為軸向氣體力 。使動渦盤沿軸向遠(yuǎn)離靜渦盤的方向運(yùn)動，動靜渦盤間軸向間隙增大，內(nèi)部泄漏量增加，降低渦旋膨脹機(jī)的效率，當(dāng)吸氣結(jié)束時，軸向間隙最大，泄漏量最大。

靜渦盤軸向浮動技術(shù)是靜渦盤隨動渦盤一起沿軸向浮動，從而保證動靜渦盤之間的間隙減小。通常所用的渦旋式膨脹機(jī)是將靜渦旋盤用螺釘固定于下泵體支架上。在膨脹機(jī)的整個工作過程中，靜渦盤一直處于靜止?fàn)顟B(tài)，動渦盤則用軸承或者支架體端平面支撐，可在靜渦盤與支架體間軸向浮動。靜渦盤軸向浮動技術(shù)是將靜渦盤改為可以隨著動渦盤的軸向浮動而軸向浮動的結(jié)構(gòu)，利用在膨脹工作狀態(tài)下通入的高壓氣體使靜渦盤的背面形成高壓腔，該高壓腔的氣體力不僅抵抗膨脹腔中氣體對靜渦盤施加的背離動渦盤方向的軸向氣體力，而且驅(qū)使靜渦盤始終與動渦盤相接觸，減小軸向間隙，從而達(dá)到軸向密封的效果。

2.2渦旋式膨脹機(jī)軸向浮動機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案

改進(jìn)的渦旋式膨脹機(jī)是在原有的渦旋式膨脹機(jī)的基礎(chǔ)上修改設(shè)計(jì)而來的，其改進(jìn)前的模型如圖2（a）所示，改進(jìn)前的靜渦盤模型如圖2（b）所示。

靜渦盤軸向浮動機(jī)構(gòu)技術(shù)是將原有渦旋式壓縮機(jī)的單向排氣閥拆除，在位于靜渦盤上的排氣孔進(jìn)氣，原有的進(jìn)氣孔排氣。根據(jù)渦旋式膨脹機(jī)軸向浮動機(jī)構(gòu)的原理，保持動渦盤利用軸承支撐的結(jié)構(gòu)形式，對靜渦盤、下泵體的形式及靜渦盤與下泵體之間的連接形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，以使靜渦盤可以隨動渦盤的運(yùn)動沿軸向浮動。具體改進(jìn)方案如圖3所示。

第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

改進(jìn)后的軸向浮動結(jié)構(gòu)如圖4所示：

1、下泵體2、動渦盤3、靜渦盤齒端4、靜渦盤下端蓋5、內(nèi)六角圓柱頭螺釘M56、密封圈a7、密封圈b8、密封圈c9、靜盤背壓腔10、進(jìn)氣口11、連接導(dǎo)向螺釘12、下泵體端蓋13、內(nèi)六角圓柱頭螺釘M6

圖4軸向浮動結(jié)構(gòu)圖

由上圖可以清楚地看到，靜渦盤齒端3與靜渦盤下端蓋4通過內(nèi)六角圓柱頭螺釘M5連在一起，組成靜盤背壓腔9，確保合理的氣體作用面積。靜渦盤下端蓋4與下泵體端蓋12通過連接導(dǎo)向螺釘11連在一起，連接導(dǎo)向柱上部光滑，起導(dǎo)向作用。下部與下缸體端蓋通過螺紋連接相互固定，使得靜渦盤與下齒端的連接結(jié)構(gòu)可以隨軸向浮動。三道密封裝置密封圈a、密封圈b、密封圈c，可以保證靜渦盤浮動之后，氣體作用面積不變且有效的避免泄漏，下端蓋與下泵體之間用螺栓把住連為一體。

第四章 總 結(jié)

本文取得以下成果：

（1）針對降低渦旋式膨脹機(jī)效率的內(nèi)部泄露問題進(jìn)行研究，以減小泄露間隙為出發(fā)點(diǎn)，對渦旋式膨脹機(jī)的工作過程原理、產(chǎn)生內(nèi)部泄露的原因以及優(yōu)化措施進(jìn)行分析。

（2）提出靜渦盤軸向浮動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，并對靜渦盤進(jìn)行受力分析，確定靜渦盤所承受壓力的大小及受力面積的大小，以該設(shè)計(jì)方案及計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)對靜渦盤及靜渦盤的支撐結(jié)構(gòu)以及下缸體的形式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

（4）改進(jìn)后的渦旋式膨脹機(jī)效率顯著提高，對低品位能源回收、低溫制冷等領(lǐng)域具有一定的使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 沈永年.渦旋式膨脹機(jī)熱力過程分析與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 低溫工程， 2000，15（2）： 23-28.

[2] 李吉功，劉振全. 背壓機(jī)構(gòu)渦旋壓縮機(jī)的背壓算法及其CAD開發(fā)[J]. 甘肅工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2002；28 （1）：51-53.

[3]劉吳， 陳鷹， 陶國良. 壓縮氣動發(fā)動機(jī)工作過程建模及特性研究.自然科學(xué)進(jìn)展，2004，14（3）：319-323.