無(wú)油渦旋壓縮機(jī)齒端面密封機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

　　針對(duì)渦旋壓縮機(jī)齒端面介質(zhì)泄漏的特點(diǎn)，提出一種齒端面密封機(jī)構(gòu)模型，通過(guò)齒端面開(kāi)設(shè)的密封槽內(nèi)安裝自潤(rùn)滑材料密封條和彈簧，實(shí)現(xiàn)渦旋齒軸向間隙的密封。通過(guò)分析不同位置的密封條所受壓差力情況，將密封條的工作狀態(tài)分為無(wú)壓差和有壓差2 種工況，分別建立密封機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化力學(xué)模型，通過(guò)密封條和動(dòng)渦盤(pán)的受力分析，研究彈簧力、壓差力和背壓氣體力3 種載荷對(duì)密封機(jī)構(gòu)工作過(guò)程的影響。結(jié)合受力分析結(jié)果，從密封槽深度、彈簧位移、背壓腔直徑等三方面，實(shí)現(xiàn)密封機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，獲得滿(mǎn)足密封機(jī)構(gòu)正常工作時(shí)的結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍，渦旋齒端面密封機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

　　渦旋式壓縮機(jī)是一種新型高效的容積式壓縮機(jī)，與其他類(lèi)型壓縮機(jī)相比具有許多不可替代的優(yōu)越性，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于制冷、空調(diào)、氣體壓縮、增壓系統(tǒng)等領(lǐng)域。目前，大多數(shù)渦旋壓縮機(jī)在工作過(guò)程中采用油潤(rùn)滑，壓縮氣體通過(guò)油氣過(guò)濾裝置過(guò)濾后再輸送到指定的工藝流程。但是，在一些工業(yè)過(guò)程中必須使用不被油污染的純凈壓縮氣體，無(wú)油潤(rùn)滑形式的渦旋壓縮機(jī)產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，目前具有廣泛的市場(chǎng)需求。無(wú)油渦旋壓縮機(jī)在工作過(guò)程中，通常發(fā)生介質(zhì)泄漏，主要是通過(guò)徑向間隙的周向泄漏和通過(guò)軸向間隙的徑向泄漏。大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，軸向間隙的泄漏線(xiàn)較長(zhǎng)，軸向間隙的泄漏量遠(yuǎn)大于徑向間隙。因此，如何解決軸向間隙泄漏問(wèn)題成為研究的重點(diǎn)，研究人員通過(guò)分析間隙內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)特性，建立了符合工作實(shí)際的泄漏數(shù)學(xué)模型并計(jì)算泄漏量，嘗試著提出了各種解決方案并付諸實(shí)踐。李超等人借助數(shù)值模擬研究了微間隙內(nèi)表面粗糙度對(duì)介質(zhì)泄漏的影響，提出了減小泄漏量的可行性措施。李海生等提出了齒端面的2 種可用密封模型，并對(duì)密封條的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行了詳細(xì)的描述。楊啟超等借助電渦流位移傳感器實(shí)現(xiàn)了軸向間隙測(cè)量實(shí)驗(yàn)，提供了工作時(shí)間隙的可能變化范圍。李文華和褚紅艷以氣體流動(dòng)的基本方程為基礎(chǔ)建立了泄漏模型，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。劉興旺等提出了運(yùn)用迷宮密封方法解決渦旋齒切向密封，并進(jìn)行了可行性實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方法具有一定的借鑒意義。Ishii 等提出了一種確定渦旋間隙的方法，有助于進(jìn)一步研究間隙泄漏問(wèn)題。

　　實(shí)現(xiàn)渦旋壓縮機(jī)的齒端面密封，可以在動(dòng)、靜渦盤(pán)的渦旋齒頂部開(kāi)設(shè)一定寬度的密封槽，將自潤(rùn)滑材料制成的密封條放置于密封槽中，從而實(shí)現(xiàn)軸向間隙的徑向氣體密封。目前，這一密封技術(shù)方案逐漸被得到廣泛認(rèn)可，已應(yīng)用于無(wú)油潤(rùn)滑渦旋壓縮機(jī)和汽車(chē)空調(diào)、車(chē)用增壓器等的渦旋壓縮機(jī)中。本文作者將重點(diǎn)分析由密封條和彈簧組成的密封機(jī)構(gòu)的受力情況，進(jìn)一步研究各種力載荷對(duì)密封機(jī)構(gòu)零部件工作過(guò)程的影響，探索這種密封機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。

　　1、模型工作載荷渦旋齒工作過(guò)程中，依靠連續(xù)變化的容積腔實(shí)現(xiàn)

　　氣體的壓縮過(guò)程。在無(wú)油渦旋壓縮機(jī)齒端面開(kāi)設(shè)密封槽，在槽內(nèi)安裝由自潤(rùn)滑性能良好的非金屬材料制成的密封條和彈簧機(jī)構(gòu)，用于阻止通過(guò)渦旋齒頂部軸向間隙的徑向泄漏，減少摩擦功率損失，提高壓縮機(jī)的工作效率。無(wú)論是動(dòng)盤(pán)或是靜盤(pán)，其齒端面密封條的工作狀態(tài)會(huì)發(fā)生周期性的變化。

　　圖1 描述了在不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)刻，渦旋齒和密封條的位置變化關(guān)系。

圖1 渦旋齒嚙合過(guò)程中密封條壓差力變化示意圖

　　選取了密封條4 個(gè)不同位置作為研究對(duì)象，在曲軸旋轉(zhuǎn)一周過(guò)程中，密封條承受載荷情況如表1 所示�？梢钥闯�，密封條承受多種載荷作用力，壓差力和彈簧力是影響密封條工作的主要載荷，壓差力是保證密封效果的關(guān)鍵作用力，由于壓縮腔大小、位置、壓力等隨著渦旋齒旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化，4 個(gè)不同位置的密封條在工作過(guò)程中承受的載荷作用差異大，密封條的工作狀態(tài)周期性變化。

表1 密封條各位置的壓差力分析

　　4、結(jié)論

　　(1) 通過(guò)渦旋壓縮機(jī)齒端面密封機(jī)構(gòu)的受力分析，可以看出壓差力、彈簧力和背壓氣體力是密封條頂部支持力的主要組成部分，亦是實(shí)現(xiàn)齒端面密封的關(guān)鍵載荷。

　　(2) 壓差力和彈簧力方向相同，互補(bǔ)作用明顯。在無(wú)壓差工況下，為保證密封條正常工作，頂部支持力大于0，彈簧力發(fā)揮了重要作用。而對(duì)于有壓差工況，由于壓差力的存在，彈簧力的作用逐漸減弱。通過(guò)分析兩種工況時(shí)的受力，根據(jù)無(wú)壓差工況時(shí)密封機(jī)構(gòu)的力系平衡關(guān)系，獲得了彈簧位移的變化范圍，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

　　(3) 密封槽深度是重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，它與密封機(jī)構(gòu)各幾何參數(shù)密切相關(guān)。通過(guò)分析各參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，獲得了密封槽合理的幾何深度，從而保證密封條浮動(dòng)變化過(guò)程中渦旋壓縮機(jī)的齒端面密封。

　　(4) 背壓腔氣體力是保證齒端面密封的間接作用力。背壓腔氣體力是動(dòng)盤(pán)單方向唯一作用力，是力系平衡的關(guān)鍵，它可以保證彈簧受到壓縮作用，從而為密封條頂部提供部分支持力，保證密封機(jī)構(gòu)正常工作。