渦旋膨脹機(jī)工作原理

圖1給出了渦旋膨脹機(jī)的工作過(guò)程示意圖。高壓膨脹氣體通過(guò)固定渦旋盤中心開(kāi)設(shè)的進(jìn)氣孔進(jìn)入膨脹腔，圖1(a)表示主軸轉(zhuǎn)角為θ時(shí)一定質(zhì)量的高壓氣體處于畫(huà)陰影線的月牙形封閉腔中，此時(shí)開(kāi)始膨脹過(guò)程。當(dāng)運(yùn)動(dòng)渦旋盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)90°到如圖1(b)所示位置時(shí)，槽板間的密封嚙合線也逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，使包含該質(zhì)量氣體的月牙形封閉腔容積增大，從而氣體被膨脹。當(dāng)運(yùn)動(dòng)渦旋盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到圖l(d)所示位置時(shí)，膨脹氣體的體積達(dá)到最大，此時(shí)氣體膨脹過(guò)程結(jié)束排氣過(guò)程即將開(kāi)始。當(dāng)運(yùn)動(dòng)渦旋盤繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)被膨脹的氣體將開(kāi)始從半月牙形膨脹腔中排出，并通過(guò)固定渦旋盤外殼的排氣口排出到外界，且運(yùn)動(dòng)渦旋盤旋轉(zhuǎn)一定角度后又將回到圖1(a)所示位置。如此反復(fù)，不斷進(jìn)行吸氣、膨脹和排氣過(guò)程。

由圖1及其工作原理可知，渦旋膨脹機(jī)的核心部分是由一對(duì)分別稱作運(yùn)動(dòng)渦旋盤和固定渦旋盤的漸開(kāi)線渦旋零件組成的。它們以相位差180°組裝后形成若干對(duì)月牙形的封閉腔，這些封閉腔即為高壓氣體的膨脹空間(參見(jiàn)圖1所示)。而運(yùn)動(dòng)渦旋盤在偏心軸驅(qū)動(dòng)下使其中心線繞固定渦旋盤中心線作圓周運(yùn)動(dòng)，在此運(yùn)動(dòng)過(guò)程中渦旋盤槽板間的密封嚙合線的位置不斷改變，使密封腔體積不斷擴(kuò)大，由此達(dá)到氣體膨脹的目的。

由圖l及上述還可以看出，渦旋式膨脹機(jī)的工作過(guò)程雖然分為進(jìn)氣、膨脹和排氣三個(gè)過(guò)程，但在兩個(gè)渦旋槽板所組成的不同空間，進(jìn)行著不同的過(guò)程，外側(cè)空間與排氣口相通，始終處于排氣過(guò)程;中心部位與吸氣口相通，始終處于吸氣過(guò)程。上述兩空間之間的兩對(duì)半月形空間內(nèi)，則一直在進(jìn)行膨脹過(guò)程。因此渦旋膨脹機(jī)是連續(xù)進(jìn)氣、膨脹和排氣的。

目前，透平膨脹機(jī)和活塞膨脹機(jī)是獲取低溫的關(guān)鍵設(shè)備。隨著膨脹機(jī)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展和人們對(duì)其應(yīng)用要求的不斷提高，這兩種形式的膨脹機(jī)已經(jīng)不能滿足人們對(duì)其更高的要求，因此開(kāi)發(fā)新型結(jié)構(gòu)的膨脹機(jī)就成為重要的研究課題。渦旋式膨脹機(jī)具有渦旋式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，而且膨脹與壓縮互為可逆過(guò)程，因此可以預(yù)見(jiàn)渦旋式膨脹機(jī)也將具有渦旋式壓縮機(jī)的所具有高效率、高可靠性、低能耗、低噪聲、結(jié)構(gòu)緊湊等突出優(yōu)點(diǎn)，從而能適用于某些特殊場(chǎng)合并較其他結(jié)構(gòu)類型的膨脹機(jī)取得更好的效果。因此，我們有必要對(duì)渦旋式膨脹機(jī)展開(kāi)積極的研究和探討。

本文著重對(duì)渦旋式膨脹機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及實(shí)用化中存在的問(wèn)題作一些簡(jiǎn)要分析和探討。

渦旋膨脹機(jī)常以圓的漸開(kāi)線作為渦旋曲線，此時(shí)其渦線參數(shù)如圖2所示，各參數(shù)意義如下所示:

基圓半徑 a 渦線壁厚 t(-2aα)

漸開(kāi)線起始角 α 膨脹腔對(duì)數(shù) N

渦線體節(jié)距 p(=2πa) 渦線圈數(shù) m(=N+1/4)

渦旋體高 h

對(duì)渦旋體進(jìn)行幾何分析可知，在渦旋體幾何參數(shù)已經(jīng)確定的情況下，渦旋膨脹機(jī)膨脹腔容積隨回轉(zhuǎn)角變化的情況如圖3所示。由圖3可以看出，吸氣過(guò)程中膨脹腔容積與回轉(zhuǎn)角成二次函數(shù)關(guān)系，而膨脹過(guò)程中膨脹腔容積與回轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系。

由渦旋膨脹機(jī)的工作原理及幾何特性可知，氣體從充氣開(kāi)始到排氣結(jié)束往往需要主軸旋轉(zhuǎn)一周以上，但在一周或一周內(nèi)卻同時(shí)進(jìn)行著進(jìn)氣、膨脹和排氣過(guò)程，正是由于渦旋膨脹機(jī)具有這種特性，因此使得在同樣氣體膨脹量時(shí)其尺寸比活塞式膨脹機(jī)要小得多，而且沒(méi)有吸氣閥、排氣閥及余隙容積。另外，和活塞膨脹機(jī)一樣，渦旋膨脹機(jī)也用平衡塊來(lái)平衡運(yùn)動(dòng)渦旋盤的離心力及不平衡力矩。而與透平膨脹機(jī)相比較而言，渦旋膨脹機(jī)靠偏心套或滑動(dòng)軸套徑向柔性機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)渦旋圈側(cè)面頂隙，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)徑向密封;另外，渦旋膨脹機(jī)的渦旋盤上各處線速度相等且其值較小，因此渦旋部件的磨損很小、壽命很長(zhǎng)。這些結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)均提高了渦旋式膨脹機(jī)的膨脹效率及工作過(guò)程的可靠性，并且能應(yīng)用于某些特殊場(chǎng)合而比其他類型的膨脹機(jī)具有更高的效率。

渦旋膨脹機(jī)工作時(shí)運(yùn)動(dòng)渦旋盤受力情況如圖4所示，即使用在運(yùn)動(dòng)渦旋盤上的氣體力有切向力Fτ、徑向力Ft、軸向力Ft、自轉(zhuǎn)力矩Fτ及運(yùn)動(dòng)渦旋盤中心線繞固定渦旋盤中心線旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力Fc等。

由受力圖可以看出，運(yùn)動(dòng)渦旋盤所承受的軸向氣體力Ft使運(yùn)動(dòng)渦旋盤脫離固定渦旋盤，增加軸向間隙，從而破壞膨脹腔的密封性。為了使渦旋膨脹機(jī)運(yùn)行可靠，我們必須合理的平衡氣體軸向力。同透平膨脹機(jī)一樣，渦旋膨脹機(jī)也要對(duì)外輸出機(jī)械功而不易做成全封閉結(jié)構(gòu)，因此渦旋膨脹機(jī)使用軸封密封時(shí)使機(jī)殼內(nèi)引入高壓氣體困難。參考渦旋壓縮機(jī)平衡軸向力的處理方法可知，其軸向氣體力平衡可以采用在運(yùn)動(dòng)渦旋盤背面設(shè)置軸向推力軸承或施加彈簧力的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

利用運(yùn)動(dòng)渦旋盤背面施加的彈簧力來(lái)平衡軸向力時(shí)，雖然彈簧力大小的改變可以自動(dòng)補(bǔ)償材料磨 損所引起的頂部間隙，但當(dāng)膨脹機(jī)運(yùn)行工況改變 時(shí)，彈簧力不能隨著軸向力的改變而改變，從而不 能很好的與軸向力始終保持在最佳平衡狀態(tài)。因此 在用此種形式平衡軸向力時(shí)怎樣在變工況下能保持 最佳平衡狀態(tài)是今后要解決的課題。

而靠在運(yùn)動(dòng)渦旋盤背面設(shè)置軸向推力軸承平衡 軸向力時(shí)，渦旋盤間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的材料磨損造 成的軸向間隙不能自動(dòng)補(bǔ)償，會(huì)使氣體沿徑向泄 漏。為了密封軸向間隙，我們可以在渦旋線頂部設(shè) 置與渦旋線形狀相同的槽，在槽中放置密封條，從 而可有效地密封通過(guò)軸向間隙的氣體泄漏。同時(shí)對(duì) 由此可能引起的徑向間隙的變化，必須引起足夠的 重視，以免造成過(guò)多的切向氣體泄漏;參考渦旋壓 縮機(jī)對(duì)類似問(wèn)題的處理，我們可以使密封條的寬度 盡可能與渦旋線壁厚接近，并靠保證渦旋線高度公 差與裝配公差來(lái)減小頂部間隙。

運(yùn)動(dòng)渦旋盤的自轉(zhuǎn)力矩Mτ將引起徑向間隙的增加，導(dǎo)致切向氣體泄漏量增大。為防止渦旋轉(zhuǎn)子在自轉(zhuǎn)力矩Mτ作用下的自轉(zhuǎn)使徑向間隙增加，可用十字聯(lián)軸節(jié)或用圓柱銷來(lái)解決上述問(wèn)題。

從上面所述內(nèi)容可以看出，密封及泄漏問(wèn)題是 目前渦旋膨脹機(jī)實(shí)用中所存在的難題，也是要重點(diǎn) 解決的問(wèn)題。

另外渦旋膨脹機(jī)屬于轉(zhuǎn)速較高的回轉(zhuǎn)機(jī)械，因此運(yùn)動(dòng)渦旋盤圍繞曲軸主軸公轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的慣性力及 力矩較大，這在實(shí)際應(yīng)用中必須引起高度重視。為 了使渦旋膨脹機(jī)的振動(dòng)較小、壽命較長(zhǎng)，必須考慮 慣性力及力矩的平衡問(wèn)題，并且要很好的解決這個(gè) 問(wèn)題。為了平衡慣性力，目前采用得較多的方法， 首先在運(yùn)動(dòng)渦旋盤的端蓋上附加一平衡質(zhì)量，使渦 旋體的質(zhì)心移置基圓中心，然后再進(jìn)行二次平衡， 從而使運(yùn)動(dòng)渦旋盤的公轉(zhuǎn)慣性力得到平衡。具體的 平衡方法及要求，可參考渦旋壓縮機(jī)中所采用的具 體措施。

從上所述可以看出，在渦旋膨脹機(jī)的實(shí)用化方 面目前存在許多問(wèn)題急待解決。國(guó)內(nèi)對(duì)渦旋膨脹機(jī) 的應(yīng)用研究也僅處于初步階段，有關(guān)這方面的資料很少，目前僅少數(shù)單位對(duì)由渦旋壓縮機(jī)改裝成的渦旋膨脹機(jī)進(jìn)行了一些試驗(yàn)研究，而相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果的報(bào)道也比較少。因此，對(duì)渦旋膨脹機(jī)的應(yīng)用研究 還有大量工作需要我們?nèi)プ觥?/p>

以上通過(guò)對(duì)渦旋式膨脹機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)特 點(diǎn)、受力及實(shí)用化存在的問(wèn)題及對(duì)策等的分析，可 得出如下結(jié)論:

(1)渦旋膨脹機(jī)是連續(xù)進(jìn)氣、膨脹和排氣的多 室膨脹的膨脹機(jī)械;

(2)渦旋膨脹機(jī)的膨脹氣體體積幾乎直線地變 化，這將對(duì)膨脹機(jī)的性能造成有益的影響;

(3)渦旋膨脹機(jī)的軸向間隙會(huì)產(chǎn)生徑向泄漏， 徑向間隙會(huì)增加切向氣體泄漏量，因此在設(shè)計(jì)渦旋 膨脹機(jī)時(shí)應(yīng)充分考慮各種因素對(duì)軸向間隙和徑向間 隙的影響，以免造成氣體泄漏量過(guò)大;即密封與泄 漏問(wèn)題是目前其實(shí)用化進(jìn)程中所急需解決的難題及 重點(diǎn)。而要使渦旋膨脹機(jī)應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中去，還 需要在這方面做大量的研究工作。

1 鄧定國(guó)，束鵬程.回轉(zhuǎn)壓縮機(jī).北京:機(jī)械工業(yè)出版 社，1988.2

2 熊則男，喬宗亮.回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)與泵.北京:機(jī)械工業(yè) 出版社，1995.4

3 李連生.渦旋式膨脹機(jī)理論分析與研究.低溫工程， 1993 (4): 7~12

4 鄭敏之.渦卷式膨脹機(jī)的性能試驗(yàn).壓縮機(jī)技術(shù)，1991 (3): 1~5

劉井龍，男，1974年12月生，現(xiàn)為西安交通大學(xué)制冷與低溫工程專業(yè)碩士研究生

兩相渦旋膨脹機(jī)的性能及實(shí)驗(yàn)研究

作者:陳 波，沈永年 發(fā)布人:xilu222 發(fā)布時(shí)間:2004-5-21 下午 04:55:28

瀏覽次數(shù):454

【關(guān)鍵詞】渦旋膨脹機(jī),真實(shí)氣體,設(shè)計(jì)壓比

【摘要】渦旋膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其運(yùn)行性能的變化規(guī)律。對(duì)渦旋膨脹機(jī)真實(shí)氣體理想(等熵)膨脹過(guò)程進(jìn)行了理論分析，提出了渦旋膨脹機(jī)真實(shí)氣體設(shè)計(jì)壓比的概念和計(jì)算方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

中圖分類號(hào):TB61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

渦旋膨脹機(jī)具有運(yùn)動(dòng)部件少，結(jié)構(gòu)緊湊，噪聲低，且適合于汽液兩相的優(yōu)點(diǎn)。隨著研究的不斷深入、效率的不斷提高，其在中小制冷量的低溫系統(tǒng)中將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文對(duì)渦旋膨脹機(jī)真實(shí)氣體的理想膨脹過(guò)程進(jìn)行了理論分析和計(jì)算，提出了渦旋膨脹機(jī)真實(shí)氣體設(shè)計(jì)壓比的概念和計(jì)算方法，并對(duì)不同進(jìn)口狀態(tài)的丙烷的運(yùn)行性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)表明丙烷進(jìn)口狀態(tài)直接決定最佳壓比，而進(jìn)口為兩相時(shí)，實(shí)際運(yùn)行性能較接近其理想膨脹過(guò)程，且干度較小時(shí)更接近。

1 渦旋膨脹機(jī)效率理論分析

與螺桿膨脹機(jī)相似，渦旋膨脹機(jī)也是定內(nèi)容積膨脹比的膨脹機(jī)械[1,2]。如以圓的漸開(kāi)線為型線的渦旋膨脹機(jī)，其內(nèi)容積膨脹比為τ=Vc/Vi=(2N-1)/(1+θ/π)，式中Vi和Vc分別為膨脹機(jī)進(jìn)、排氣容積，N為渦旋圈數(shù)，θ為膨脹起始角，如圖1所示。它完全由膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，而與工質(zhì)進(jìn)出口狀態(tài)無(wú)關(guān)。這一特點(diǎn)決定了渦旋膨脹機(jī)的性能及其變化規(guī)律[3]。

理想膨脹過(guò)程，即除排氣口壓力損失外無(wú)其它不可逆損失(如泄漏損失、內(nèi)外傳熱損失、進(jìn)出口流動(dòng)損失、摩擦損失等)的情況下，渦旋膨脹機(jī)的內(nèi)膨脹過(guò)程就是可逆絕熱過(guò)程。渦旋膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)壓比就是指理想膨脹過(guò)程內(nèi)膨脹前后的壓力比。對(duì)于理想氣體，以圓的漸開(kāi)線為型線的渦旋膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)壓比就為:

式中 Pi--膨脹機(jī)進(jìn)氣壓力

Pc--內(nèi)膨脹終了壓力

k--絕熱指數(shù)

而對(duì)于真實(shí)氣體(較接近或處于兩相或液相)，由于絕熱指數(shù)很難把握，故設(shè)計(jì)壓比寫(xiě)成:

εi=Pi/Pc=f(Pi，Ti，τ，x) (2)

式中 Pi，Ti，x--工質(zhì)進(jìn)口壓力、溫度及干度(兩相時(shí))

f(Pi，Ti，τ，x)可由ds=0及適合于該種

工質(zhì)的狀態(tài)方程g(P，V，T) =0來(lái)確定。

(2)式表明，對(duì)于真實(shí)氣體，設(shè)計(jì)壓比由工質(zhì)性質(zhì)、膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)和工質(zhì)人口狀態(tài)三者來(lái)決定。

顯然，對(duì)于渦旋膨脹機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)運(yùn)行壓比ε=Pi/Pd(Pd為背壓)與設(shè)計(jì)壓比εi不相等時(shí)就會(huì)產(chǎn)生功率損失。而對(duì)于任何工質(zhì)的理想膨脹過(guò)程，內(nèi)效率都可寫(xiě)成:

式中

mi--膨脹機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量

Ui--進(jìn)氣比內(nèi)能

hi--進(jìn)氣比焓

Uc--內(nèi)膨脹終了比內(nèi)能

Pd--背壓

hd--等熵膨脹到壓力為背壓幾時(shí)的比焓

同一膨脹機(jī)，同一工質(zhì)(丙烷)，不同進(jìn)口狀態(tài)，理想膨脹時(shí)，計(jì)算所得設(shè)計(jì)壓比與效率變化如圖2所示。圖2中①為進(jìn)口態(tài)為Ti=303K，干度x=0.1時(shí)的效率曲線;②為進(jìn)口態(tài)為Ti=303K，干度為劣=0.5時(shí)的效率曲線;③為進(jìn)口態(tài)為坪=303K，干度為x=0.9時(shí)的效率曲線;④為進(jìn)口態(tài)為Ti=303K，壓力Pi=1.0×106Pa時(shí)的效率曲線;⑤為進(jìn)口態(tài)為巧=303K，壓力Pi=0.6×106Pa時(shí)的效率曲線。從圖2可以看出，工質(zhì)進(jìn)口態(tài)越接近液相，其設(shè)計(jì)壓比(效率為1.0時(shí)的運(yùn)行壓比)越小，這種現(xiàn)象在干度從x=0.5變化到x=0.1的過(guò)程中非常明顯。這也就是說(shuō)，渦旋膨脹機(jī)最佳運(yùn)行壓比隨工質(zhì)的人口狀態(tài)變化而變化，入口狀態(tài)越接近液相，最佳運(yùn)行壓比越小。

2 實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中保證工質(zhì)進(jìn)口狀態(tài)一定(Pi，Ti一定， 對(duì)于兩相還要保證干度一定)，而改變背壓Pd來(lái)得 到不同運(yùn)行壓比時(shí)的實(shí)際效率。實(shí)驗(yàn)用渦旋膨脹機(jī) 是由日本SANDAN公司制造(TR-70)汽車空調(diào)壓 縮機(jī)改造而成。其基本參數(shù)為:基圓半徑a= 3mm;齒厚b=4.5mm，齒高h(yuǎn)=29.5mm;吸氣容 積Vi=27.3cm3;排氣容積Vc=70.2cm2。

實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖3所示。實(shí)驗(yàn)以C3Hs為工 質(zhì)，故系統(tǒng)設(shè)計(jì)成閉式系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)調(diào)節(jié)截止 閥(11)來(lái)改變背壓Pd;通過(guò)調(diào)節(jié)旁通閥(6)和 換熱器一的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來(lái)保證工質(zhì)進(jìn)口狀態(tài)恒定(實(shí)際過(guò)程中背壓Pd的改變會(huì)引起進(jìn)口狀態(tài)的變化， 故需要調(diào)節(jié));通過(guò)調(diào)速電機(jī)(7)和皮帶輪組(8) 來(lái)保證膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速恒定和改變轉(zhuǎn)速;由調(diào)速電機(jī) (7)和水泵(9)組成膨脹機(jī)輸出功的吸收裝置。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4示出了膨脹轉(zhuǎn)速n=1800r/min，進(jìn)口態(tài)分別為①Ti=303K，干度x=0.1;②Ti= 303K，干度x=0.5;③Ti=303K，壓力Pi=1.0×106Pa三種狀態(tài)的理想膨脹過(guò)程與實(shí)際膨脹過(guò)程 的效率及最佳壓比的比較。從圖中可以看出，進(jìn)口 態(tài)為①時(shí)的實(shí)際性能曲線最接近其理想曲線，而進(jìn) 口態(tài)為③時(shí)的性能曲線則最偏離其理想曲線，這主 要是由工質(zhì)泄漏引起的。進(jìn)口態(tài)為①時(shí)的整體運(yùn)行 壓比(設(shè)計(jì)壓比附近)最小，且其液相成分最大， 因此，當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，其相對(duì)泄漏量最小(在實(shí)驗(yàn) 中，膨脹機(jī)未另設(shè)潤(rùn)滑系統(tǒng)，故泄漏損失成為渦旋 膨脹機(jī)的最主要損失。)。另外，進(jìn)口態(tài)為①時(shí)的質(zhì)量流量最大(約為進(jìn)口態(tài)為③時(shí)的7.4倍)，其單 位質(zhì)量工質(zhì)所受到的其他不可逆因素的影響也最 小，故進(jìn)口態(tài)為①時(shí)的整體運(yùn)行效率較高。從圖4 中還可以看出，實(shí)際運(yùn)行最佳壓比均比其設(shè)計(jì)壓比 要大，而在運(yùn)行壓比超過(guò)最佳壓比后，實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)效率要比理論效率下降平緩，這與工質(zhì)泄漏及進(jìn)、排 氣口流動(dòng)阻力存在有關(guān)。

4 結(jié) 論

(1)渦旋膨脹機(jī)真實(shí)氣體設(shè)計(jì)壓比不僅與膨脹 機(jī)結(jié)構(gòu)及工質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，而且與其進(jìn)口狀態(tài)密切相 關(guān)。

(2)進(jìn)口狀態(tài)越接近液相，同一工質(zhì)，同一膨 脹機(jī)，其設(shè)計(jì)壓比越小。

(3)進(jìn)口態(tài)越接近液相，實(shí)際運(yùn)行性能及最佳 壓比越接近理想過(guò)程，此時(shí)運(yùn)行壓比較小而質(zhì)量流量較大。

(4)泄漏損失的存在使得渦旋膨脹機(jī)較適合于 低壓比、低干度的場(chǎng)合，因此其在制冷特別是空調(diào) 領(lǐng)域具有更廣闊的應(yīng)用前景。