渦旋壓縮機內泄漏與密封技術研究進展

李　炅，張秀平，周　到，胡繼孫

（合肥通用機械研究院，安徽合肥 230088）

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渦旋壓縮機內泄漏與密封技術研究進展

李炅*，張秀平，周到，胡繼孫

[摘 要]渦旋壓縮機是一種理想的小排量容積式壓縮機，但其泄漏問題與密封技術一直是阻礙渦旋壓縮機發展的主要障礙之一。本文對渦旋壓縮機的內泄漏問題進行了概述，分析了前期基于理論模型和試驗研究方法對于切向泄漏和徑向泄漏開展的研究。同時還對渦旋壓縮機的密封技術進行了詳細說明，從油膜密封、密封條、迷宮密封技術和背壓密封四方面進行了分析。

[關鍵詞]渦旋壓縮機；泄漏；密封；模型

（合肥通用機械研究院，安徽合肥 230088）

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

0 前言

渦旋壓縮機以其高效率、結構簡單、可靠性好、振動小及噪聲低等特點，在空調、熱泵和冷凍冷藏領域得到廣泛的應用。但對渦旋機械而言，泄漏問題仍然是阻礙其應用推廣的主要障礙之一[1-3]。渦旋壓縮機中主要有內、外泄漏兩種形式。靜渦盤與支架體的結合面泄漏、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性能[2]。動、靜渦盤結合面的端面泄漏、通過軸向間隙的徑向泄漏和徑向間隙的切向泄漏屬于內泄漏，內泄漏也會一定程度上影響渦旋壓縮機的性能[4]。渦旋壓縮機的結構決定了其特殊的泄漏通道，為了開發安全、高效的渦旋壓縮機，減小泄漏對渦旋壓縮機技術的發展意義重大。

本文需要從渦旋壓縮機的結構特點出發，主要針對內泄漏進行分析，從理論模型和試驗研究的角度總結研究泄漏量的方法。并通過對油膜密封、密封條、迷宮密封和背壓密封技術等的調研，分析目前的密封方法和結構形式，提出減小泄漏問題的方法。

1 內泄漏形式

渦旋壓縮機的內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、靜渦盤的內外側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動部件的磨損而形成的靜態間隙和運行過程中軸承的油膜承壓不均勻或十字環的加工誤差所引起的動態間隙。

徑向泄漏是由動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性能有重要作用。

端面泄漏是由于動渦旋盤處于浮動狀態而造成的，在剛啟動時背壓腔處于常壓，動渦盤受到軸向氣體力的作用而脫離靜渦盤，導致端面泄漏，但隨著背壓腔氣體壓力的升高，動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 內泄漏的模型及計算

渦旋壓縮機的泄漏是一個比較復雜的過程，其泄漏模型的建立需考慮的因素包括泄漏工質是否可壓縮、是否按一維處理、是否穩定流動等[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渦盤之間的由大到小的間隙簡化成一個理想收縮噴管，工質以均相流動，假設噴管與外界沒有熱交換，工質在噴管內流動時無摩擦。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的影響，這對于切向泄漏比較接近實際情況。范諾流模型將切向泄漏通道假設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泄漏前后摩擦效應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方程模型同時考慮了流體的粘性對流體流動的影響和流體的慣性力對泄漏的影響，采用連續方程，二維N-S方程及氣體狀態方程，通過編程計算得到較精確的數值解。但這種方法比較復雜，計算量較大[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，將渦旋壓縮機中制冷劑的流動假設為不可壓縮的粘性流動，提出了一個潤滑油粘附率的參數，用于反映渦圈壁上油膜的大概厚度。將模型計算結果與試驗數據相比較，證明了模型的準確性和精確度[11]。

5) 漸開線環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，制冷劑沿平行平板間的徑向泄漏是平行的，但是在運動過程中實際徑向泄漏是沿著漸開線的法線方向的流動，如圖3。這種可壓縮流體通過漸開線半圓環與平板間的間隙流動來進行簡化，只考慮因壓差作用引起的泄漏流動[12]。

圖1　噴管泄漏模型計算切向泄漏示意圖

圖2　范諾流模型計算徑向泄漏示意圖

圖3　漸開線環與平板間的間隙流模型計算徑向泄漏示意圖

天津大學馬一太等[13]采用噴管泄漏模型和流經漸開線環和平板間的流動模型對CO2渦旋壓縮機切向泄漏和徑向泄漏進行了計算，對影響泄漏的參數排氣壓力、蒸發溫度（吸氣壓力）和吸氣過熱度進行了分析。結果表明，排氣壓力對切向泄漏的影響不明顯，提高蒸發溫度可以減小CO2渦旋壓縮機的泄漏量，吸氣過熱度對CO2渦旋壓縮機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的切向泄漏和徑向泄漏進行了理論計算，如圖4所示。結果顯示，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，內泄漏要遠遠大于外泄漏，這直接導致壓縮機功耗迅速增加、運行環境惡化、系統效率驟降。

圖4　泄漏量隨間隙的變化

蘭州理工大學李超等[15]利用N-S方程和分形理論來計算間隙氣體泄漏量，研究氣體泄漏量與動靜渦旋表面分形參數之間的關系。結果表明，存在使氣體泄漏量達到最小的最佳分形維數，可以通過改變動靜渦旋表面分形參數有效降低氣體泄漏量。

3 泄漏量的試驗測定

蘭州理工大學劉興旺等[16]模仿渦旋壓縮機壓縮過程，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，設置的縫口調節機構可調節切向泄漏間隙的大小。同樣地，劉興旺等[17]模仿壓縮機渦盤運動規律，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。試驗前先抽真空，再利用高精度微調閥調節兩模擬壓縮腔的壓力，使其分別保持在給定曲柄轉角下的壓縮機的高壓腔和低壓腔的壓力下，測出某一時間段內真空儲罐中的壓力升值，折算出切向泄漏量，試驗流程如圖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律，用于指導減小泄漏的技術方法測定。但由于切向泄漏和徑向泄漏同時發生，不能單獨準確地測量各自泄漏量，進行定量的研究，而且目前的模型不能代表渦旋壓縮機渦盤準確運行情況，所以需要開發在渦旋壓縮機上進行的泄漏量測定的試驗方法。

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

4.1 油膜密封

上海理工大學王海民等[18]指出渦旋壓縮機徑向泄漏的密封靠油膜來完成，由于渦旋壓縮機在壓縮過程中，氣體制冷劑攜帶冷凍油在動靜盤壁上形成薄油膜，進而在不同的壓縮腔的分界面處隔斷不同壓力的氣體。隨著壓縮氣體時每個壓縮腔的容積和邊界不斷地發生改變，動盤不斷運動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現的切向密封。蘭州理工大學王君等[19]通過在動渦旋盤與支架體間安裝潤滑油密封結構，精確地控制從曲軸箱漏入工作腔的潤滑油量，保證了動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、靜渦旋齒頂上開設溝槽，安裝密封條，背向高壓氣體將密封條在動靜渦盤之間緊壓，形成密封。密封條應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，已被廣泛地應用作為密封材料，但它的缺點是尺寸穩定性差、導熱性差、線膨脹系數大，在較大載荷下呈現蠕變。經過分析采用石墨、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

基于渦旋壓縮機切向泄漏及徑向泄漏問題，研究人員提出了基于迷宮效應的渦旋齒的切向和徑向密封結構。蘭州理工大學劉興旺等[16]提出了在渦旋齒的一個側面開設迷宮槽的切向密封,基本結構如圖8所示。經實驗測定，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于切向光滑間隙密封[16]。同時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迷宮槽的結構，如圖9所示[17]。經實驗測定，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于徑向光滑間隙密封[17]。

圖8　動渦旋齒側壁開設迷宮槽的切向密封結構

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

在渦旋背壓密封的設計研究中，其渦旋盤較大軸向氣體力的平衡是渦旋壓縮機設計研究中的關鍵技術之一。已有的平衡方法主要采用動渦旋盤引入背壓和加裝彈簧；背壓和加裝彈簧的區別在于，引入背壓所產生的軸向氣體力的大小由壓縮機的運行工況決定,壓縮機變工況適應性較好；而加彈簧等彈性元件產生的是固定的軸向力，啟動時的摩擦磨損較大，變工況的適應性較差。在靜渦旋盤上開設背壓平衡孔，把壓縮室的氣體引入到嵌套在靜渦旋盤上的密封組件中，這時在密封組件內部將充滿高壓氣體，這部分氣體將產生壓力，沿徑向的壓力將使密封組件的橡膠皮墊向外擴展，產生彈性變形,堵住密封組件中端蓋與靜渦旋盤之間的間隙，實現氣體的密封，軸向的壓力可以平衡靜渦旋盤所受的軸向氣體力，驅使靜渦旋盤沿軸向和動渦旋盤接觸，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 結論與展望

泄漏問題是制約渦旋壓縮機發展的關鍵問題之一。本文對現有的對內泄漏問題的研究方法和密封技術進行了調研，得出的結論如下。

1）對于泄漏量的計算的模型，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處理，需要找出一種確定間隙值更精確的方法，從而計算得出更精確的泄漏量。

2）對于泄漏量的試驗測定，目前的方法還缺乏精確性，只是進行定性的研究，起到一定的參考作用，需要進一步開發在渦旋壓縮機上進行的泄漏量測定的試驗方法，進行定量的分析。

3）油膜密封和密封條都是較為成熟的技術。通過理論計算和實驗驗證均表明，基于迷宮效應的密封技術優于光滑結構的密封效果，這為解決渦旋壓縮機的切向和徑向泄漏開辟新的思路。在靜渦旋盤上開設背壓孔的方法在渦旋壓縮機中也得到了廣泛的應用。

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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

基金項目：安徽省科技攻關計劃項目（No.1301022072）。

doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2016.01.205