家用制冷設備轉子壓縮機徑向密封系統設計

＊何 靜

（安徽建筑大學環境與能源工程學院 安徽 230601）

滾動轉子壓縮機的研制成功，需要氣體密封理論、結構和材質等方面全面綜合考慮與配合[1]。三角轉子壓縮機具有結構簡單、效率高、壽命長、振動小、噪聲低、體小量輕及適合高速運轉等優點，適合壓縮機微型化的研發。相比較傳統的家用制冷設備采用的容積式壓縮機，轉子壓縮機具有急速制冷的優點，非常適合應用在對制冷速度要求高的使用場景。但是轉子壓縮機由于其密封線較長，密封性能較差，在運行過程中會存在較大的泄露損失，降低了轉子壓縮機使用可靠性。因此轉子壓縮機密封系統的設計顯得尤為重要。

本文從微型三角轉子壓縮機的特點出發，針對微型三角轉子壓縮機的刮片彈簧的運動和受力情況進行分析，首先設計出密封件的刮片，通過受力分析計算出彈簧的具體參數并進行加工。三角轉子壓縮機完成一個循環完成需要兩次吸排氣。排氣過程依靠單向閥的開啟完成，轉子的型線以及刮片所形成的一個密閉空間進行壓縮，當被壓縮的工質達到一定壓力時，排氣閥開啟壓縮機進行排氣。因此密封問題是三角轉子發動機研究的關鍵問題之一。刮片彈簧的失效會導致工作室之間漏氣，高低壓腔連通。此時三角轉子壓縮機運行效率將極大降低，甚至導致無法正常工作；因此一般轉子壓縮機在徑向都設置了徑向彈簧使密封片始終徑向壓緊缸體，從而使密封片在整個工作過程中起到密封作用[2]。另一方面，彈簧工作循環次數到達一定程度時，彈簧會發生變形工作應力松弛，失去彈簧作用。基于此徑向密封片彈簧的設計、計算及材料的選擇就顯得極為重要。本設計選用65Mn作為彈簧的加工材料。本文首先對三角轉子壓縮機的刮片的進行了運動分析與受力分析，另一方面根據彈簧的受力設計加工出彈簧。本文中壓縮機的設計制冷量800W，設計轉速為1500rpm。

1.三角轉子壓縮機的原理

三角轉子壓縮機又稱汪克爾壓縮機。其工作原理如圖1所示三角轉子壓縮機的氣缸內表面是雙弧圓外旋輪線，三角轉子外表的三邊是圓外旋輪線的內包絡線，氣缸中心與轉子中心之間存在偏心距e，氣缸靜止不動，沿其內表面滑動的轉子，一邊繞自身中心自轉，又一邊繞氣缸中心公轉。壓縮機主軸頸穿過外齒輪并與之同心，內齒輪固定在轉子上，主軸的偏心軸頸穿在轉子的軸承孔內。內、外齒輪始終保持嚙合，其齒數比為3:2。壓縮機工作時，主軸帶動偏心軸頸來推動轉子沿氣缸內表面滑動，從而完成了吸氣、排氣等工作過程。(a)處于吸氣狀態；(b)轉子運動關閉吸氣口，停止吸氣開始壓縮；(c)氣體壓力達到排氣壓力，打開排氣閥開始排氣；(d)排氣進入最后階段。三角轉子壓縮機有3個工作室同時工作，壓縮機主軸轉1圈，就有2個室完成了吸氣-壓縮-排氣過程，即排兩次氣。

圖1 三角轉子壓縮機的工作過程[3]

2.刮片的理論分析

三角轉子壓縮機的刮片與彈簧在壓縮腔內工作。刮片在板式彈簧彈力的作用下始終緊靠在缸體的內壁從而起到密封作用[4]。相鄰的刮片、轉子型線以及缸體的內型線構成了轉子壓縮機工作過程中的壓縮腔。刮片與缸體內表面的密封采用的是機械面直接接觸密封。金屬密封面之間存在著擠壓和相對運動，容易導致密封失效。轉子壓縮機在運行過程中溫度也會隨之升高，而溫度也是造成轉子壓縮機刮片與內缸壁平面磨損問題的關鍵影響因素之一。密封片與缸壁接觸區內有氣體滲入，其接觸面上承受氣體壓力，因此刮片彈簧系統對轉子壓縮機的密封系統起到至關重要的作用[5-7]。壓縮機工作過程中，3個刮片對稱裝配在三角轉子的頂端相互間隔120°。通過建立如圖2所示的平面直角坐標系[8-10]計算刮片的運動軌跡，運動速度以及加速度。

圖2 刮片運動分析的平面坐標圖

設計過程中以其中的一個刮片作為研究對象，P點為刮片所在的位置；當刮片運動至缸體的短半軸時建立直角坐標系，將偏心軸所在的位置作為坐標系的原點O。當偏心軸轉動時坐標原點移至O'，刮片發生位移；與分別為偏心軸與轉子的轉動角速度；θ1、θ2分別為偏心軸與轉子轉動的角度；是刮片從坐標系O運動至坐標系O'的位移矢量；、分別表示當坐標原點位于O、O'時，坐標原點與刮片之間的距離。根據如圖2所示的位移關系由數學公式推導可得：

通過對（1）式微分即可得到刮片的速度計算公式：

又因為：

其中：ω—轉軸轉動的絕對速度。

因此刮片的速度可以表示為：

通過對（4）式微分，可到刮片的加速度計算公式：

通過以上數學推導公式，將本文中所設計的三角轉子壓縮機相關參數代入以上公式。表1所列即為三角轉子壓縮機的具體參數。

表1 三角轉子壓縮機的具體參數

續表

通過對三角轉子壓縮機的工作過程分析θ1=3θ2，ω1=3ω2計算過程中取ω1==1500rpm。計算過程中刮片位置相對于坐標系不發生軸向位移，即。

本文使用Matlab軟件中編程功能得到如圖3(a)所示的刮片運動跡線，該運動路徑與所設計的壓縮機的缸體的壓縮腔的形狀相似。在設計壓縮機的過程中需要考慮偏心軸的尺寸、轉子的型線、以及內外齒輪的相互配合才能使刮片的運動按如圖3(a)所示的軌跡。

圖3 (a)刮片的運動軌跡；(b)刮片在坐標軸方向的分速度；(c)刮片彈簧的徑向與軸向的加速度

如圖3(b)以及3(c)所示為刮片在x、y坐標軸方向的速度與加速度。根據三角轉子壓縮機的工作原理，轉軸轉3圈三角轉子轉一圈，因此x軸的范圍是0°～1080°。當轉速在1500rpm條件下工作時刮片x軸方向速度范圍在-1m/s～1m/s，y軸的速度范圍大約在-1.5m/s～1.5m/s；其分向加速度最高能達100m/s2。

3.彈簧的受力分析以及設計與加工

在保證刮片與缸體型面良好貼合的前提下，刮片彈簧的彈力要盡可能小一些。因為彈力越大，彈簧的工作應力也越大，這樣彈簧容易發生塑性變形和磨損[11]，從而也會破壞他們之間的密封效果。三角轉子壓縮機的刮片彈簧式單片的板彈簧。實驗室所用的壓縮機彈簧參數：彈簧的參數為，b= 0.8mm，h=2.5mm，彈簧厚度δ= 0.2mm，初始壓縮量fs1= 1.0mm，現在來校核這兩個參數：

彈簧的撓度（初始壓縮量）f1為：

f不能太大，因為f1越大，σmax也就越大，彈簧也就越容易失效變平。彈簧應力σmax與f1的關系式：

考慮到三角轉子壓縮機的初始壓縮量取f1=1.0mm，取h=2.5mm。

如圖4所示為當刮片以及彈簧運行至缸體短軸時的受力圖。當刮片處于短軸方向上，刮片的所受重力與短軸垂直。因此在短軸方向垂直分力為0。此時要保證刮片與缸體型面始終貼合的條件合力FR。

圖4 刮片彈簧位于短軸時的受力分析

其中：

Fr—密封片的徑向慣性力；Fgr—背面氣體的壓力；

Fs—背面彈簧的彈力；Fm—側面氣體的壓力。

刮片的徑向慣性力Fr為：

當主軸在短軸上時θ=270°此時刮片的徑向慣性力Fr有最小值。

綜上所述：要保證式（9）成立，在三角轉子壓縮機啟動時，刮片彈簧的彈力即Fs＞0.0003N；而在壓縮機運行的過程中此時起密封作用的是氣體背壓，彈力不起主要的作用。因此對于三角轉子壓縮機的刮片彈簧當壓縮機靜止時，彈簧將刮片彈出緊壓在缸體型面，當壓縮機啟動時，能克服刮片的向心力，保證刮片與缸體的內壁面貼合。而當彈簧彈力過大時，只能引起彈簧變形，加速蠕變，減短彈簧的壽命。考慮到彈簧支撐刮片的重量，克服刮片與刮片槽的摩擦力，并考慮到一定的安全系數及刮片磨損0.25mm～0.5mm時，彈簧仍有足夠的彈力多，當彈簧的厚度為0.2mm，根據彈性模量的公式，它的彈力約為1.22N。該彈力的大小足夠彈簧支撐刮片的重量，克服刮片與刮片槽的摩擦力。通過計算當f1由于磨損減短超過0.7mm時，彈簧的彈力不能夠進行有效的密封。

通過計算后設計出的彈簧并且經過加工以及熱處理，彈簧的長度L為9.2mm，h=2.5mm，該彈簧的材料是65Mn。在之后的壓縮機的密封試驗過程中，刮片彈簧的運行效果良好。

4.結論

根據以上的結果，能夠得到如下的結論：

（1）刮片彈簧在三角轉子壓縮機的密封系統中起著非常重要的作用，當彈簧失效或者參數不匹配時，壓縮機的高低壓腔會連通，壓縮機的壓縮機效果會降低甚至無法正常工作；

（2）通過對刮片的運動分析，可以為壓縮機缸體的設計，轉子的大小以及偏心軸的設計提供一些參數選擇的參考；

（3）通過對彈簧材料的選擇，以及受力分析與校核能正確設計出符合三角轉子壓縮機工況要求的刮片彈簧。