家用制冷设备转子压缩机径向密封系统设计

＊何 静

（安徽建筑大学环境与能源工程学院 安徽 230601）

滚动转子压缩机的研制成功，需要气体密封理论、结构和材质等方面全面综合考虑与配合[1]。三角转子压缩机具有结构简单、效率高、寿命长、振动小、噪声低、体小量轻及适合高速运转等优点，适合压缩机微型化的研发。相比较传统的家用制冷设备采用的容积式压缩机，转子压缩机具有急速制冷的优点，非常适合应用在对制冷速度要求高的使用场景。但是转子压缩机由于其密封线较长，密封性能较差，在运行过程中会存在较大的泄露损失，降低了转子压缩机使用可靠性。因此转子压缩机密封系统的设计显得尤为重要。

本文从微型三角转子压缩机的特点出发，针对微型三角转子压缩机的刮片弹簧的运动和受力情况进行分析，首先设计出密封件的刮片，通过受力分析计算出弹簧的具体参数并进行加工。三角转子压缩机完成一个循环完成需要两次吸排气。排气过程依靠单向阀的开启完成，转子的型线以及刮片所形成的一个密闭空间进行压缩，当被压缩的工质达到一定压力时，排气阀开启压缩机进行排气。因此密封问题是三角转子发动机研究的关键问题之一。刮片弹簧的失效会导致工作室之间漏气，高低压腔连通。此时三角转子压缩机运行效率将极大降低，甚至导致无法正常工作；因此一般转子压缩机在径向都设置了径向弹簧使密封片始终径向压紧缸体，从而使密封片在整个工作过程中起到密封作用[2]。另一方面，弹簧工作循环次数到达一定程度时，弹簧会发生变形工作应力松弛，失去弹簧作用。基于此径向密封片弹簧的设计、计算及材料的选择就显得极为重要。本设计选用65Mn作为弹簧的加工材料。本文首先对三角转子压缩机的刮片的进行了运动分析与受力分析，另一方面根据弹簧的受力设计加工出弹簧。本文中压缩机的设计制冷量800W，设计转速为1500rpm。

1.三角转子压缩机的原理

三角转子压缩机又称汪克尔压缩机。其工作原理如图1所示三角转子压缩机的气缸内表面是双弧圆外旋轮线，三角转子外表的三边是圆外旋轮线的内包络线，气缸中心与转子中心之间存在偏心距e，气缸静止不动，沿其内表面滑动的转子，一边绕自身中心自转，又一边绕气缸中心公转。压缩机主轴颈穿过外齿轮并与之同心，内齿轮固定在转子上，主轴的偏心轴颈穿在转子的轴承孔内。内、外齿轮始终保持啮合，其齿数比为3:2。压缩机工作时，主轴带动偏心轴颈来推动转子沿气缸内表面滑动，从而完成了吸气、排气等工作过程。(a)处于吸气状态；(b)转子运动关闭吸气口，停止吸气开始压缩；(c)气体压力达到排气压力，打开排气阀开始排气；(d)排气进入最后阶段。三角转子压缩机有3个工作室同时工作，压缩机主轴转1圈，就有2个室完成了吸气-压缩-排气过程，即排两次气。

图1 三角转子压缩机的工作过程[3]

2.刮片的理论分析

三角转子压缩机的刮片与弹簧在压缩腔内工作。刮片在板式弹簧弹力的作用下始终紧靠在缸体的内壁从而起到密封作用[4]。相邻的刮片、转子型线以及缸体的内型线构成了转子压缩机工作过程中的压缩腔。刮片与缸体内表面的密封采用的是机械面直接接触密封。金属密封面之间存在着挤压和相对运动，容易导致密封失效。转子压缩机在运行过程中温度也会随之升高，而温度也是造成转子压缩机刮片与内缸壁平面磨损问题的关键影响因素之一。密封片与缸壁接触区内有气体渗入，其接触面上承受气体压力，因此刮片弹簧系统对转子压缩机的密封系统起到至关重要的作用[5-7]。压缩机工作过程中，3个刮片对称装配在三角转子的顶端相互间隔120°。通过建立如图2所示的平面直角坐标系[8-10]计算刮片的运动轨迹，运动速度以及加速度。

图2 刮片运动分析的平面坐标图

设计过程中以其中的一个刮片作为研究对象，P点为刮片所在的位置；当刮片运动至缸体的短半轴时建立直角坐标系，将偏心轴所在的位置作为坐标系的原点O。当偏心轴转动时坐标原点移至O'，刮片发生位移；与分别为偏心轴与转子的转动角速度；θ1、θ2分别为偏心轴与转子转动的角度；是刮片从坐标系O运动至坐标系O'的位移矢量；、分别表示当坐标原点位于O、O'时，坐标原点与刮片之间的距离。根据如图2所示的位移关系由数学公式推导可得：

通过对（1）式微分即可得到刮片的速度计算公式：

又因为：

其中：ω—转轴转动的绝对速度。

因此刮片的速度可以表示为：

通过对（4）式微分，可到刮片的加速度计算公式：

通过以上数学推导公式，将本文中所设计的三角转子压缩机相关参数代入以上公式。表1所列即为三角转子压缩机的具体参数。

表1 三角转子压缩机的具体参数

续表

通过对三角转子压缩机的工作过程分析θ1=3θ2，ω1=3ω2计算过程中取ω1==1500rpm。计算过程中刮片位置相对于坐标系不发生轴向位移，即。

本文使用Matlab软件中编程功能得到如图3(a)所示的刮片运动迹线，该运动路径与所设计的压缩机的缸体的压缩腔的形状相似。在设计压缩机的过程中需要考虑偏心轴的尺寸、转子的型线、以及内外齿轮的相互配合才能使刮片的运动按如图3(a)所示的轨迹。

图3 (a)刮片的运动轨迹；(b)刮片在坐标轴方向的分速度；(c)刮片弹簧的径向与轴向的加速度

如图3(b)以及3(c)所示为刮片在x、y坐标轴方向的速度与加速度。根据三角转子压缩机的工作原理，转轴转3圈三角转子转一圈，因此x轴的范围是0°～1080°。当转速在1500rpm条件下工作时刮片x轴方向速度范围在-1m/s～1m/s，y轴的速度范围大约在-1.5m/s～1.5m/s；其分向加速度最高能达100m/s2。

3.弹簧的受力分析以及设计与加工

在保证刮片与缸体型面良好贴合的前提下，刮片弹簧的弹力要尽可能小一些。因为弹力越大，弹簧的工作应力也越大，这样弹簧容易发生塑性变形和磨损[11]，从而也会破坏他们之间的密封效果。三角转子压缩机的刮片弹簧式单片的板弹簧。实验室所用的压缩机弹簧参数：弹簧的参数为，b= 0.8mm，h=2.5mm，弹簧厚度δ= 0.2mm，初始压缩量fs1= 1.0mm，现在来校核这两个参数：

弹簧的挠度（初始压缩量）f1为：

f不能太大，因为f1越大，σmax也就越大，弹簧也就越容易失效变平。弹簧应力σmax与f1的关系式：

考虑到三角转子压缩机的初始压缩量取f1=1.0mm，取h=2.5mm。

如图4所示为当刮片以及弹簧运行至缸体短轴时的受力图。当刮片处于短轴方向上，刮片的所受重力与短轴垂直。因此在短轴方向垂直分力为0。此时要保证刮片与缸体型面始终贴合的条件合力FR。

图4 刮片弹簧位于短轴时的受力分析

其中：

Fr—密封片的径向惯性力；Fgr—背面气体的压力；

Fs—背面弹簧的弹力；Fm—侧面气体的压力。

刮片的径向惯性力Fr为：

当主轴在短轴上时θ=270°此时刮片的径向惯性力Fr有最小值。

综上所述：要保证式（9）成立，在三角转子压缩机启动时，刮片弹簧的弹力即Fs＞0.0003N；而在压缩机运行的过程中此时起密封作用的是气体背压，弹力不起主要的作用。因此对于三角转子压缩机的刮片弹簧当压缩机静止时，弹簧将刮片弹出紧压在缸体型面，当压缩机启动时，能克服刮片的向心力，保证刮片与缸体的内壁面贴合。而当弹簧弹力过大时，只能引起弹簧变形，加速蠕变，减短弹簧的寿命。考虑到弹簧支撑刮片的重量，克服刮片与刮片槽的摩擦力，并考虑到一定的安全系数及刮片磨损0.25mm～0.5mm时，弹簧仍有足够的弹力多，当弹簧的厚度为0.2mm，根据弹性模量的公式，它的弹力约为1.22N。该弹力的大小足够弹簧支撑刮片的重量，克服刮片与刮片槽的摩擦力。通过计算当f1由于磨损减短超过0.7mm时，弹簧的弹力不能够进行有效的密封。

通过计算后设计出的弹簧并且经过加工以及热处理，弹簧的长度L为9.2mm，h=2.5mm，该弹簧的材料是65Mn。在之后的压缩机的密封试验过程中，刮片弹簧的运行效果良好。

4.结论

根据以上的结果，能够得到如下的结论：

（1）刮片弹簧在三角转子压缩机的密封系统中起着非常重要的作用，当弹簧失效或者参数不匹配时，压缩机的高低压腔会连通，压缩机的压缩机效果会降低甚至无法正常工作；

（2）通过对刮片的运动分析，可以为压缩机缸体的设计，转子的大小以及偏心轴的设计提供一些参数选择的参考；

（3）通过对弹簧材料的选择，以及受力分析与校核能正确设计出符合三角转子压缩机工况要求的刮片弹簧。