滑片膨胀机槽底引压结构的研究

　　在氟利昂引发的环境问题越来越严重的今天,寻找高效环保的制冷工质成为国际社会关注的问题.CO2作为一种可以长久使用的环保制冷工质引起了人们的兴趣,但是CO2的运行压力高、系统压差大,特别是普通CO2制冷系统的性能系数(COP)低于常规制冷系统,所以其推广受到了限制.自从Lorentzen在1994年首先提出用膨胀机回收膨胀功[1]来提高CO2跨临界制冷循环的COP以来,国内外研究了用各种不同类型的膨胀机来替代节流阀,以减少节流损失提高系统性能.美国Purdue大学Baek开发了一种活塞式膨胀机[2],实验测得膨胀机的等熵效率为10%左右.Nickl等[3]开发的自由活塞式膨胀机-压缩机采用了三级膨胀的方法,来提高膨胀功的回收率,并通过实验验证了该样机能成功地在CO2制冷系统中运行.

　　由于滑片式膨胀机与滑片式压缩机[4]相似,其结构简单、运转平稳、造价低廉,因此从2004年开始,作者对其进行了设计与开发,并在CO2制冷循环系统中进行了实验研究.结果表明,膨胀机受进口流体冲击的影响,造成滑片与气缸壁脱离,相邻工作腔相通,由此产生大量的泄漏,从而大大降低了膨胀机的性能.

　　本文在原有样机[5]的基础上进行了设计改进,提出了一种将高压流体引入滑片槽底、用气体力使滑片与气缸内壁始终良好接触的滑片槽底引压结构.通过理论分析[6]计算,得到了引压结构的最优参数,通过实验研究了带引压结构的膨胀机.比较结果表明,采用引压结构,解决了由进气冲击产生的滑片与气缸壁不贴合的问题,从而减少了泄漏损失,大幅度提高了膨胀机的性能.

　　1 槽底引压结构的设计

　　1.1 原始样机

　　滑片膨胀机原样机结构简图如图1所示.膨胀机的气缸上有2个对称的吸、排气孔口,转子上有10个滑片,每转有20个工作容积相继完成一个完整循环.主要参数包括:椭圆气缸长轴54 mm、短轴46 mm,转子长度25 mm,滑片高度10 mm、厚度3 mm,吸气口(腰型进气口)长10 mm、宽5 mm,位置角度0b~10b,排气口位置角度110b~170b.

　　膨胀机原样机可以在CO2制冷循环系统中稳定运行.在工作过程中,膨胀机滑片通过进气口时会被高压、高速的进口流体冲入槽底.由于滑片的离心力远小于滑片顶部流体压力,因此滑片在通过进气口后无法顺利甩出,使得其与气缸壁的接触受到了影响,从而造成相邻的2个工作腔相通,由此产生大量的泄漏,大大降低了膨胀机的性能.

　　1.2 槽底引压结构

　　为了解决滑片与气缸内壁脱离的问题,本文提出了一种通过气体力使滑片与气缸内壁良好接触的槽底引压结构.如图2所示,在膨胀机左端盖内部加工了一条引压通道,端盖的内端面上共有2个孔口,并与引压通道相通.最右侧的孔口是轴向引压孔口,可将进气口内的高压流体引入到引压通道内.靠近端盖中心的2个孔口是弧形引压孔口,它们对称布置且在膨胀机吸气过程中与滑片槽底相通,作用是将引压通道内的高压流体引入到滑片槽底的容积腔内.通过这种槽底引压结构,在膨胀机的吸气阶段,高压流体进入滑片槽底部的容积腔并作用在滑片底部,使得滑片能够抵抗部分进气冲击,而在吸气结束后迅速与气缸内壁贴合;在膨胀机的膨胀和排气阶段,高压流体不会进入滑片槽底部的容积腔,因为该容积腔的容积很小,此时依靠泄漏就可以迅速降低腔内压力,而滑片旋转产生的离心力和该容积腔内的残余压力依然可以确保滑片与气缸内壁良好贴合.