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涡旋压缩机的泄漏分析

泄漏问题仍然是阻碍涡旋压缩机等涡旋机械发展的主要障碍之一。涡旋压缩机中主要有内、外泄漏两种形式。外泄漏影响排气量,降低了容积效率以及整机效率。涡旋压缩机的结构决定了其特殊的泄漏通道,为了开发安全高效的涡旋压缩机,需要从涡旋压缩机的结构特点出发,分析端面、结合面、间隙、径向和切向的泄漏特点,并相应的确定密封方法和结构形式,妥善解决泄漏问题。

气体的主要泄漏形式有:动、静涡盘结合面的端面泄漏、静涡盘与支架体的结合面泄漏、曲轴与压盖的间隙泄漏、通过轴向间隙的径向泄漏和径向间隙的切向泄漏。

1)        端面泄漏

动、静涡旋盘结合面的端面泄漏是由于动涡旋盘处于浮动状态而造成的,在刚启动时由于背压腔处于常压,动涡盘受到轴向气体力的作用而离开静涡盘,端面泄漏严重,随着背压腔气体压力的升高,动涡盘逐渐靠向静涡盘,动、静涡盘问形成的油膜有密封和承压作用。

2)        结合面泄漏

静涡旋盘与支架体的结合面泄漏是由于结合表面微观的不平度,加之固体垫片在螺栓拧紧后,受到冲击振动、温度、压力、介质等作用,使垫片受剪、螺栓伸长或松动,长期下去固体垫片就会失去弹性,丧失密封作用而导致泄漏。

3)        间隙泄漏

曲轴与压盖的间隙泄漏是由于两者的配合造成的,背压腔中的天然气沿着主轴承、轴瓦进入支架体后部,通过曲轴与压盖的间隙泄漏到大气中,这样不但增加了环境的危险性,而且破坏了涡旋压缩机的轴向平衡。

4)        径向泄漏

径向泄漏是由动涡盘涡圈顶端与静涡盘盘底以及静涡盘涡圈顶端与动涡盘盘底之间的轴向间隙在压差的作用下而引起的工质泄漏。引起轴向间隙的因素很多,比如涡盘涡圈高度的加工误差,动涡盘和静涡盘的安装精度,涡旋齿的磨损和变形,压缩机运行过程中轴承承受压力的不一致以及防自转机构不能完全控制动涡盘的自转等。在动涡盘背面引入压缩气体来平衡轴向力的结构中,气体力的变化也会导致轴向间隙发生变化,再加上倾覆力矩和升、降速对涡盘的作用,使得轴向间隙呈现不均匀性。相对来说,轴向间隙的泄漏线长度比径向间隙的泄漏线长度大得多,因此阻止通过轴向间隙的径向泄漏对提高整机性能有着重要的作用,这些因素就使得轴向间隙的分析十分困难,一般工程应用都假定轴向间隙均匀相等而且为一个固定值。对于变频涡旋压缩机,需要在动、静涡盘的涡旋齿顶部开设密封槽,把由自润滑材料制成的密封条放置于密封槽中来密封通过轴向间隙的径向泄漏。

5)        切向泄漏

切向泄漏是由动、静涡盘的内外侧型线之间存在的径向间隙在压差的作用下引起的工质泄漏。涡旋压缩机的径向间隙是由两部分引起的,一部分是由于加工误差、装配精度偏差以及各运动部件的磨损而形成的静态间隙;另一部分是在涡旋压缩机运行过程中轴承的油膜承压不均匀或十字环的加工误差所引起的动态间隙。动态间隙在压缩机的运行过程中是瞬息万变的,对于静态间隙,由于其形成是与动涡盘和静涡盘啮合点的状态有关,啮合点是由它们相互运动而形成的,随着转角的不同,形成啮合点的型线壁面也是不同的,所以静态间隙也是随着转角的不同而变化的。随转角变化的静态间隙与动态间隙的不确定性的耦合,使得具体理论分析径向间隙十分困难,目前几乎所有涡旋压缩机在分析切向泄漏时都认为径向间隙恒定。

这5个泄漏通道是天然气变频涡旋压缩机的主要泄漏形式,静涡盘与支架体的结合面泄漏、曲轴与压盖的间隙泄漏属于外泄漏,动、静涡盘结合面的端面泄漏、通过轴向间隙的径向泄漏和径向间隙的切向泄漏属于内泄漏。外泄漏影响着天然气变频涡旋压缩机的可靠性,内泄漏则影响着变频涡旋压缩机的工作性能,所以对于内、外泄漏的密封同等重要。

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