两级旋叶式膨胀机动力特性的理论研究

　　1 前言

　　近几年,将膨胀机用于跨临界CO2系统的研究开展得较为广泛,并取得了良好的效果,有效地提高了系统效率[1~8]。而将膨胀机引入R410A、R407C等氟利昂工质制冷(热泵)系统的相关研究工作开展的并不多。由于R410A等工质的容积膨胀比远大于CO2,现有应用于CO2系统的各种类型的膨胀机不能满足需要,因此有必要开发具有更高膨胀比的新型膨胀机。文献[9]开发了针对R410A小型制冷系统的速度型培尔顿式膨胀机,其等熵效率为32%左右,可使COP提高5. 8%。旋叶式膨胀机具有结构简单紧凑、体积小和工作可靠等特点,适用于中小流量的各种应用领域,如气动工具、小型能量回收装置等。旋叶式膨胀机也适用于中小型制冷(热泵)系统中,用以替换节流阀回收膨胀功,从而提高系统能效比。两级旋叶式膨胀机是在传统旋叶式膨胀机工作原理的基础上加以改造和发展,适用于具有高膨胀比的中小型制冷(热泵)系统中,本文针对R410A制冷系统中两级旋叶式膨胀机的受力特点和动力学特性进行理论研究。

　　2 结构特点

　　图1是传统结构形式的旋叶式膨胀机,两侧工作腔气缸型线完全相同,两个工作腔并联工作,每个工作腔实现的膨胀比相同。图2给出了两级旋叶式膨胀机的结构示意,图中转子两侧气缸型线采用不同的升程,使工作腔容积大小不等,工作腔不对称,每侧可实现的膨胀比不同,两个工作腔串联工作,以工质完成两级膨胀为一个循环,工作周期是360b。综上所述,两级旋叶式膨胀机的最大特点在于两个工作腔容积不等,两个工作腔之间串联工作,能够使工质在一个循环内完成两级膨胀,具有更高膨胀比。

　　3 受力模型分析

　　旋叶式膨胀机与旋叶式压缩机的工作过程相反,但其工作原理相同,即都是依靠随转子旋转的滑片与气缸壁面之间的紧密贴合,形成具有一定容积的工作腔,并通过改变工作腔容积的大小实现对工作腔内工质的膨胀或压缩。因此,两者滑片的受力有着一些共同的特征,但也存在明显的区别。本节在旋叶式压缩机滑片受力模型的基础上,结合旋叶式膨胀机结构和工作过程的具体特点,建立了两级旋叶式膨胀机滑片的运动与受力模型[10、11]。

　　图3是两级旋叶式膨胀机滑片的受力图,旋叶式膨胀机所受力的种类与旋叶式压缩机相同。根据达朗伯原理,滑片受主动力、约束力和惯性力三种力的作用:

　　(1)主动力:包括由滑片两侧工作腔内工质压差产生的气体力Fp、滑片顶部气体力Fd、背压Fb;

　　(2)约束力:包括滑片与滑片槽之间的接触力FR1、FR2,滑片与气缸内壁之间的接触力Fn,及由上述三个接触力产生的摩擦力FRt1、FRt2、Fnt;