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作者： 来源： 发布时间：2018/2/11 16:12:47  点击数：383

investigation of the radial clearance leakage in rolling piston compressors
yan gang ma zhenjun wu jianhua
abstract among refrigerant leakages are caused by clearance fit in rolling piston compressors, the maximal amount of leakage is occurred in the radial clearance, which is mainly processed by the mode that the refrigerant dissolves into the lubricant. the sequential changes of the radial clearance are considered in this paper. it uses lubricant’s flow model to calculate the amount of leakage of refrigerant in the system, and validates the effect of leakage on the rolling piston compressor through the performance experimentation of changing radial clearance individually, while other clearance fits are not altered. so, the leakage losses of rolling piston compressor can be reduced effectively by designing the value of leakage clearance rationally.
keywords rolling piston compressor radial clearance leakage
滚动转子式压缩机属于回转式压缩机，目前广泛应用于冰箱、空调及小型商用制冷装置中。在滚动转子式压缩机内，各零部件之间的间隙很小，润滑油充斥其间，起到润滑和密封的作用。文献[1]认为制冷剂的间隙泄漏并非单一的液相流动，而是在高压侧溶入大量制冷剂的润滑油液体，在流动过程中，由于压力的降低，使得制冷剂从液相中逸出，形成大量气泡。而制冷剂的泄漏是影响到滚动转子压缩机的制冷量、功率和效率的主要因素，文献[2]经过计算给出了由泄漏引起的压缩机的质量流量损失为3.5％。因此，泄漏一直是滚动转子式压缩机的研究重点。
滚动转子式压缩机的转子外表面与气缸内表面的接触线是气缸的吸气腔与压缩腔的分界线，此接触线上存在的间隙称为转子径向间隙。对于通过转子径向间隙的泄漏，文献[3][4]按照纯制冷剂气体流动来处理，但从准确性和实用性的角度考虑，都存在不足之处。为此，本文建立了完整的润滑油流动模型，来模拟压缩机内部转子径向间隙的制冷剂泄漏过程。
1 转子压缩机间隙泄漏通道的确定
滚动转子式压缩机有六个泄漏通道，如图1所示。它包括滑片两端与气缸端盖间隙l1，滑片两侧与滑槽的间隙l2、l3，转子两端与气缸端盖的间隙l4、 l5，转子外表面与气缸内表面的径向间隙l6。这些间隙值均存在一个优选设计问题。若将间隙值设计得太大,制冷剂气体和油的泄漏量将大大增加,使压缩机性能下降。如果为防止泄漏损失而将间隙值设计过小,这会增加加工、装配及轴承精度等的要求,摩擦功耗增加,也将导致压缩机性能降低。此外,在压缩机运行过程中,间隙值随零部件的变形和压力、温度的变化而变化,大部分间隙均会保持在装配公差之内。由于转子径向间隙的变化不仅与它们的直径、曲轴偏心距的实际尺寸以及选配公差有关，还受到气缸与轴承座的装配同心度和主轴承以及转子的动态性能的影响，变化幅度比较大，因此必须考虑径向间隙的动态变化，其计算简图如图2。在本文的模型中不考虑零部件变形对间隙的影响。
图1 间隙泄漏通道简图
图2 动态径向间隙计算简图
转子的径向间隙值 和气缸半径 、转子外径 及气缸中心与转子中心之间的距离 有关，即
（1）
由于压缩机没有转动，轴的中心线在设计时与气缸的中心线重合，转子中心线与曲轴的偏心轮中心线重合，这时转子的偏心距 就应等于曲轴的偏心距 ，因此转子的径向间隙为：
（2）
此时的间隙为静态间隙。静态间隙的大小与压缩机的运行工况、运行状态无关，只取决于设计值和选配公差。然而在压缩机的实际运行过程中，由于转子受力的不均匀，转子与偏心轮组成的转子轴承和前后两个支撑轴承是在动载荷的作用下运转的，轴承的动态特性直接导致了转子的偏心距的变化，因此转子的径向间隙在压缩机运行过程中是不断变化的，需要在建立模型时予以考虑。根据轴承的动态特性和几何特性，转子的径向间隙为：
（3）
(4)
(5)
其中 表示为转子轴承在动载荷的作用下，转子中心线偏离偏心轮中心线的距离； 表示为支撑轴承在动载荷的作用下，在转角 方向上轴心偏离气缸中心线的距离； 为转子轴承的半径间隙； 为转子轴承的半径间隙； 为转子轴承的偏心率； 为支撑轴承的偏心率。
2 径向间隙的制冷剂泄漏模型
2.1 溶有制冷剂的润滑油流量的计算
根据滚动转子式压缩机的润滑原理，贮存在封闭壳体的高温高压润滑油通过曲轴上的小孔和滑片槽泄入工作腔，粘附在腔体内表面，起到润滑各工作面的作用。另外，由于润滑油是以液体状态粘附在气缸内壁上、转子外表面和气缸内表面上，阻塞了制冷剂气体的直接泄漏，因此每条间隙通道上都会存在溶有制冷剂的润滑油泄漏。
实际上的泄油过程相当复杂，高压侧的润滑油溶入了大量的制冷剂，泄漏过程中由于压力和温度的逐步降低，从而制冷剂的溶解度下降，导致部分制冷剂逸出，使流动成为复杂的两相泡沫流动，这样油的粘度下降使得泄漏更加剧烈。计算时，不考虑混合物在通道中的中间流动过程，假设气液之间无相对运动，保持名义物性参数，认为在通道出口处制冷剂一次性逸出，并假设润滑油不发生气化现象。
这里定义制冷剂在油中的溶解分率
（6）
式中 指混合液中的气体质量；
指混合液中的液体质量。
由润滑油引起的制冷剂泄漏量为：
（7）
角标up表示通道前端，down表示后端； 表示制冷剂气体， 表示润滑油。
流动的名义物性参数按下列式子计算：
纯度 （8）
密度 （9）
动力粘度 （10）
润滑油的粘度、密度和制冷剂气体在润滑油中的溶解度计算可参考文献[5]。
2.2 转子径向间隙制冷剂的泄漏量
对于径向间隙的泄漏模型，由于泄漏通道相对于其高度既窄且长，需要考虑粘性的影响。本文根据文献[1]，将其处理为“收缩喷管+有摩擦等截面管”，如图3所示，整个通道由压缩腔、收缩喷管、等截面直管及吸气腔组成，中间的直管矩形截面，保持不变。由于转子的角速度相对于音速可以忽略不计，可以假定通道两壁面是静止的。
根据泄漏通道前后摩擦损失相等的原则，可得出矩形管长：
（11）
式中 ；
为气缸半径。
e为出口截面积。
图3 径向间隙泄漏的简化模型
根据气动力学原理，如果在出口截面e上达到音速，则进口马赫数 与管长的关系式为：
（12）
与工质雷诺数 有关，由下式给出：
此时摩擦管和收缩喷管的压力比为：
（13）
（14）
根据径向间隙的泄漏通道简化模型，出口处达到音速，总压比 （压缩腔与吸气腔压力之比）时，发生流动阻塞现象。那么， ，泄露的流量通过下式求出：
（15）
式中截面e上的温度可通过下式求得：
（16）
截面e上的流速可通过下式求得：
（17）
3 试验验证
泄漏对滚动转子式压缩机性能的影响，可以建立间隙泄漏模型来模拟计算，但它的可靠程度直接影响到整个压缩机优化设计的可靠性。由于直接测量滚动转子式压缩机的间隙泄漏量非常困难，本文改变转子径向间隙的设计值，在标准工况下，对西安庆安制冷设备股份有限公司生产的yzg—35ra转子式制冷压缩机进行了性能试验，通过对制冷量的测试间接验证间隙泄漏模型。为此加工了不同尺寸的转子，在装配时严格控制间隙并进行计量，保证其余各配合间隙在设计公差的范围内，进行了性能试验。
图4转子径向间隙造成的制冷剂泄漏量的计算值
图5 径向间隙造成转子压缩机的制冷量实测值和计算值的比较
试验样机的主要结构参数如下：
汽缸半径：rc=27mm；汽缸高度： h=27mm；
转子外半径：rr=21.9mm；转子内半径：ri=16mm；
滑片厚度：bv=4mm；滑片头圆弧半径：rk=6mm；
吸气孔直径：ds=11.0mm；排气孔直径：dd=9mm；
吸气孔和排气孔的安装角： =20о； =11о
滑片槽的宽度：hslot=17.2mm。
从图4中可以看出，随着转子径向间隙的增加，滚动转子式压缩机制冷剂的泄漏量迅速增加。从图5中可以看出，在标准工况下运行时，分别改变转子的径向间隙，其制冷量的试验数据和模拟计算数据的是吻合的，其变化趋势是一致的，随着间隙的增大，制冷量迅速下降。
4 结论
考虑到滚动转子式压缩机内转子径向间隙动态变化，本文利用润滑油流动模型来模拟计算转子径向间隙制冷剂的泄漏量。通过改变转子的径向间隙，利用滚动转子式压缩机在标准工况下的性能试验来间接验证泄漏对滚动转子式压缩机的影响。结果表明：转子径向间隙制冷剂的泄漏量是影响滚动转子式压缩机性能的关键因素。合理地设计间隙值，可以有效地降低泄漏损失，减小摩擦功耗，并提高整机的容积效率。
参考文献
1 t. yanagisawa and t. shimizu . leakage losses with a rolling piston type rotary compressor i radial clearance on the rolling piston . int j refrig, 1985, 8 (2): pp75-84
2 gybarg, f .etal . a simulation model fixed vane rotary compressor using real gas properties . in. proc. of the 1984 icecp, pp33-39
3 p.pandeya et al . rolling piston type rotary compressor with special attention to friction and leakage .in: proc of the 1978 icecp
4 janghee lee .performance analysis of rolling piston type rotary compressor .in: proc of the 1988 icecp
5 e. sakurai the prediction of friction losses in variable speed rotary compressor in: proc. of l984 icecp，pp331-338

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