刘文举

摘 要：本文以减小内部泄露、提高容积效率为目标，对涡旋式膨胀机的工作原理、产生泄露的原因进行分析，并根据涡旋式膨胀机的工作特点，设计一种新型的轴向浮动机构，完成涡旋式膨胀机的整体建模优化。

关键词：涡旋式膨胀机；轴向浮动机构；静涡旋盘；三维建模

前 言

涡旋式膨胀机是通过气体膨胀做功来获得能量的机械，具有结构紧凑、可靠性高、噪声低、振动小等优点，在电厂发电、余热回收、动力机械等领域得到了广泛的应用。

本文首先根据涡旋式膨胀机的工作原理，对涡旋膨胀机产生间隙泄露的原因进行分析，然后对静涡盘的形式加以改进，设计静涡盘轴向浮动机构，最后对改进后的涡旋式膨胀机的关键部件进行三维建模，完成整体结构优化。

第一章 涡旋式膨胀机过程原理及理论分析

涡旋式膨胀机是一种变体积式的膨胀机，它的工作腔由涡旋型线参数相同、相位差180o、基圆中心距为r的一对动静涡盘组成，形成多对封闭近似月牙形的工作腔，高压气体从静涡盘中心处的进气口进入工作腔后膨胀做功，推动动涡盘绕静涡盘中心做圆周轨道运动，从而对外输出机械功[1]。

以一个膨胀过程所吸入的气体为研究对象，压缩气体通过1（a）所示的静涡盘的吸气口进入第一膨胀腔，带动动涡盘转动。随着主轴转动角度的增加，吸气量逐渐增多，当主轴转到吸气结束角时，吸气结束，完成一个膨胀过程中的吸气过程，此时吸气量示意如图1（b）；随着主轴转角的进一步增大，压缩空气依次进入第二膨胀腔、第三膨胀腔，体积逐渐增大，如图1（c）、1（d）所示；当主轴转动到排气开始角时，膨胀腔体积最大，此时为压缩气体最终状态，如图1（e）所示；然后进入排气过程，气体随着主轴转角的增大通过气体排出口排出膨胀机体外，结束膨胀过程。如此重复着吸气、膨胀、排气过程，将压缩空气的动能与压力能转化为主轴的机械能对外做功。

第二章 静涡盘轴向浮动机构总体设计

2.1方案确定

动涡盘沿轴向方向所承受的气体力称为轴向气体力 。使动涡盘沿轴向远离静涡盘的方向运动，动静涡盘间轴向间隙增大，内部泄漏量增加，降低涡旋膨胀机的效率，当吸气结束时，轴向间隙最大，泄漏量最大。

静涡盘轴向浮动技术是静涡盘随动涡盘一起沿轴向浮动，从而保证动静涡盘之间的间隙减小。通常所用的渦旋式膨胀机是将静涡旋盘用螺钉固定于下泵体支架上。在膨胀机的整个工作过程中，静涡盘一直处于静止状态，动涡盘则用轴承或者支架体端平面支撑，可在静涡盘与支架体间轴向浮动。静涡盘轴向浮动技术是将静涡盘改为可以随着动涡盘的轴向浮动而轴向浮动的结构，利用在膨胀工作状态下通入的高压气体使静涡盘的背面形成高压腔，该高压腔的气体力不仅抵抗膨胀腔中气体对静涡盘施加的背离动涡盘方向的轴向气体力，而且驱使静涡盘始终与动涡盘相接触，减小轴向间隙，从而达到轴向密封的效果。

2.2涡旋式膨胀机轴向浮动机构总体设计方案

改进的涡旋式膨胀机是在原有的涡旋式膨胀机的基础上修改设计而来的，其改进前的模型如图2（a）所示，改进前的静涡盘模型如图2（b）所示。

静涡盘轴向浮动机构技术是将原有涡旋式压缩机的单向排气阀拆除，在位于静涡盘上的排气孔进气，原有的进气孔排气。根据涡旋式膨胀机轴向浮动机构的原理，保持动涡盘利用轴承支撑的结构形式，对静涡盘、下泵体的形式及静涡盘与下泵体之间的连接形式进行设计，以使静涡盘可以随动涡盘的运动沿轴向浮动。具体改进方案如图3所示。

第三章 结构设计

改进后的轴向浮动结构如图4所示：

1、下泵体2、动涡盘3、静涡盘齿端4、静涡盘下端盖5、内六角圆柱头螺钉M56、密封圈a7、密封圈b8、密封圈c9、静盘背压腔10、进气口11、连接导向螺钉12、下泵体端盖13、内六角圆柱头螺钉M6

图4轴向浮动结构图

由上图可以清楚地看到，静涡盘齿端3与静涡盘下端盖4通过内六角圆柱头螺钉M5连在一起，组成静盘背压腔9，确保合理的气体作用面积。静涡盘下端盖4与下泵体端盖12通过连接导向螺钉11连在一起，连接导向柱上部光滑，起导向作用。下部与下缸体端盖通过螺纹连接相互固定，使得静涡盘与下齿端的连接结构可以随轴向浮动。三道密封装置密封圈a、密封圈b、密封圈c，可以保证静涡盘浮动之后，气体作用面积不变且有效的避免泄漏，下端盖与下泵体之间用螺栓把住连为一体。

第四章 总 结

本文取得以下成果：

（1）针对降低涡旋式膨胀机效率的内部泄露问题进行研究，以减小泄露间隙为出发点，对涡旋式膨胀机的工作过程原理、产生内部泄露的原因以及优化措施进行分析。

（2）提出静涡盘轴向浮动机构的设计方案，并对静涡盘进行受力分析，确定静涡盘所承受压力的大小及受力面积的大小，以该设计方案及计算结果为基础对静涡盘及静涡盘的支撑结构以及下缸体的形式进行重新设计。

（4）改进后的涡旋式膨胀机效率显著提高，对低品位能源回收、低温制冷等领域具有一定的使用价值。

参考文献：

[1] 沈永年.涡旋式膨胀机热力过程分析与实验研究[J]. 低温工程， 2000，15（2）： 23-28.

[2] 李吉功，刘振全. 背压机构涡旋压缩机的背压算法及其CAD开发[J]. 甘肃工业大学学报2002；28 （1）：51-53.

[3]刘吴， 陈鹰， 陶国良. 压缩气动发动机工作过程建模及特性研究.自然科学进展，2004，14（3）：319-323.