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涡旋压缩机的径向柔性密封机构
 

 近年来随着涡旋式压缩机在我国的开发应用,其生产正在逐步走向产业化。但由于加工水平的制约,难以得到高精度的涡旋形状,因此在动、静涡旋盘所形成的压缩腔内必然存在着气体泄漏,使压缩机效率降低。为减少气体经过动、静涡旋的径向间隙从高压腔向低压腔的泄漏,并补偿由动、静涡旋的加工和装配引起的径向误差,保证其效率高、噪声低、运转平稳的优点,必须在涡旋压缩机中设置径向密封机构。为此,我们在详细分析常见的固定回转半径密封机构的基础上,提出了一种新的径向柔性密封机构。该机构在保证压缩机性能的前提下能有效、经济地实现径向密封。在当前国内涡旋盘加工精度普遍不高的现状下,具有很强的实用价值和一定的现实意义。

1 固定回转半径密封机构

  图1所示为固定回转半径径向密封机构,在电机驱动下曲轴旋转,其上的曲柄销带动动涡旋作相对于静涡旋的回转运动,其回转半径为Ror。在理想条件下,即动静涡旋没有加工误差且曲柄销与轴承之间的间隙为零时,则能保证Ror为一恒定值,动静涡旋彼此在几条直线上接触而没有间隙,使气体的泄漏损失与涡旋之间的磨擦损失为零。但在实际生产中,尽管对涡旋的加工精度要求很高,在动、静涡旋之间仍存在一定的径向间隙,使气体产生径向泄漏。曲柄销与轴承之间的径向间隙决定了涡旋体之间的接触情况,当间隙值较小时,两涡旋体的接触以磨擦损失为主,泄漏损失次之;当间隙值较大时,则以泄漏损失为主,磨擦损失次之。因此存在着一个最佳曲柄径向间隙使泄漏损失与磨擦损失之和为最小,在实际加工条件下,该值为-15 m左右[1]。由此可见,采用这种固定回转半径的径向密封机构,不但要求涡旋体有很高的加工精度,而且要求曲柄销处也要有极高的加工与装配精度,这无疑使生产成本增加、难度增大,不利于涡旋压缩机的普及化生产。

2 径向柔性密封机构

    2.1 实现径向柔性密封的机构和条件
  为克服固定回转半径密封机构的缺点,我们在设计中采用了偏心套筒式径向密封机构,它形成一个可变半径的密封机构,如图2所示。在结构中设置一个偏心套筒,偏心套筒通过其上的孔与曲柄销相连,套筒的外缘又与动涡旋盘的轮毂联接。o1为曲轴中心,o2为曲柄销中心,o3为偏心套筒与动涡旋质心,偏心套筒在曲柄销的驱动下绕o2点运动,并带动与之相连的动涡旋,动涡旋盘的理论回转半径为Ror= 。在电机启动的瞬间,动涡旋上作用有惯性力Fgx、Fgy、气体的径向力Fr和法向力Ft,Fgx和Fgy在回转半径方向上产生合力Fg,将动涡旋推向静涡旋的侧壁,实现气体的径向密封。此时动涡旋质心运动到o3处,实际回转半径为 ,在曲轴匀速旋转的正常运行条件下,为达到最佳密封效果。

    2.2 密封机构的柔性
  这种可变回转半径密封机构的柔性主要体现在以下四个方面:
  1)自动调节回转半径。在涡旋体加工存在误差的情况下,该机构能自动使回转半径增大或减小,以消除涡旋盘之间的径向间隙或减少涡旋盘之间的摩擦与磨损,使摩擦损失与泄漏损失之和始终保持最佳值。
  2)容隙能力。当介质中混有固体杂质时,由于动涡旋盘回转半径可变,使得动静涡旋壁面之间脱离接触,为固体杂质提供容隙,避免划伤涡旋体表面或因刚性碰撞而损伤涡旋体。
  3)过载保护能力。当发生液体压缩时,作用在动涡旋上的径向力Fr增至Frm,且Frm>Fgycos时涡旋之间脱离接触,高压液体被释放到其它压缩腔中,而不会使压缩腔内的压力超过允许值。
  4)自动补偿磨损。由于偏心套的形状与密封面形状相似,在磨损情况下,能自动补偿[2]。且由于偏心套的运动是两个转动的合成,较之滑动副密封机构,产生的振动和冲击更小。
  综上所述,采用这种柔性密封机构能抵消因加工误差和装配而产生的径向误差,降低了对加工精度的要求,较为经济地实现高效率密封。

    2.3 结构的不稳定性
  这种柔性密封机构虽然有上述优点,但也存在着一个结构所固有的缺点—不稳定性。当动涡旋的质心运动到非常靠近o1,甚至越过o1的位置时,随着Ror越来越小,离心惯性力随之减小,不能满足式(1),使高压腔气体向低压腔卸载,导致压缩机噪声的产生和性能的下降,因此结构中存在着一个不稳定区。如果在安装中使o3位于o1o2连线的右侧,在起动瞬时惯性力带动下,质心o3向靠近o1的方向运动,在穿越该区域时必然会出现上述问题,严重时甚至无法使压缩机工作,因此这还不是一种可靠的径向密封机构。

3 改进的径向柔性密封机构

  为了消除上述结构的不稳定性,对以上设计进行了改进,如图3所示。在偏心套筒底面加工限位销,同时在曲轴相应部位加工出限位孔,o4为限位销的中心,限位孔的中心与曲轴中心重合。如图4所示,当o3绕o2逆时针摆动时,o4点也随之运动,当到达o4点后,受到限位孔的约束,不再继续运动,因此质心o3运动到o3后就不会再进一步向靠近o1方向运动,使偏心套筒的摆动行程受到一定的制约,避免动涡旋的质心落入不稳定区内,使压缩机得以可靠工作。

4 结论

  1)采用径向柔性密封机构可实现经济、高效、可靠的径向密封。
  2)径向柔性密封机构可以从设计角度降低加工难度,降低对动、静涡旋加工和装配精度的要求,是一种实用性很强的设计。
  3)径向柔性密封机构在QWR系列涡旋式压缩机试制中均获成功,可降低振动和噪声,保证运转的平稳性,提高压缩机的能效比。

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