爪式流体机械啮合间隙对工作过程的影响

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中图分类号： TH3 文献标识码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.04.Ol1W orking Process of the Claw-type Fluid M achinery Under Diferent M eshing ClearanceLIU Kai，JIANG Xi-tong，ZHA Hai-bin，WANG Jun(China University of Petroleum，Qingdao 266580，China)Abstract： The working process of suction，compression and discharge in the claw-type fluid machine was analyzed.To obtainthe leakage law of the claw-type fluid machinecompression process and the mixing process under different clearance，the variablemass thermodynamics system and numerical simulation method were used to investigate the changing rules between the state pa-rameters，such as pressure and mass of the compression chamber，and the meshing clearance of rotating seal faces.The results helpto the claw·type fluid machineS design，processing，assembly and improving the perform ance of fabrication。

Key words： claw-type fluid machine；numerical simulation；leakage；mixing process1 前言爪式流体机械作为变容积式设备，其腔内平行放置的-对同步回转的转轴。爪式流体机械利用连接在两轴的成对的爪型转子进行有间隙、无摩擦的啮合所形成的密闭腔的容积大小变化来完成气体的吸入、压缩和排出过程 。爪式流体机械具有干式无油、压缩比良好、可直排大气并独立在高压下长期连续工作等显著优点 J。

已广泛应用于医疗、半导体、光学通讯、电子等众多领域 J。爪式流体机械内部转子与机壳，转子与转子之间无接触，间隙的存在在其工作过程中必然存在泄漏，而泄漏对其工作特性具有重大的影响 J。目前有关爪式流体机械的泄漏的工作过程相关研究较少。

本文针对六段式曲爪型转子型线 J，应用变收稿日期： 2012-08-15 修稿日期： 2013-03-15基金项目： 中央高校基本科研业务费专项资金资助(12CX06057)质量系统热力学原理 J、数值模拟的方法研究该爪式转子在其工作过程中啮合间隙大小对其泄漏量的影响，研究其内压缩过程与混合过程泄漏的工作过程特性，得到工作过程元件之间的间隙大小与气体质量的变化规律，以及气体压力的变化规律 ；根据爪式流体机械工作过程的独特特点指出其理想的啮合间隙，有助于爪式流体机械的设计和制造。

2 爪式流体机械的工作过程六段式爪式流体机械转子型线由3段圆煌3段摆线构成，从节圆按逆时针方向依次为：节圆圆虎摆线、爪底圆虎摆线、爪顶圆煌摆线组成；其工作过程分为吸气、压缩、排气和混合过程。

2.1 吸气过程 、压缩过程和排 气过程48 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.4，2013如图1所示爪式流体机械的进、排气口在其端面，它的开启与关闭是依靠转子转动时的遮挡来实现。其工作腔被2个相互啮合的爪式转子分隔成2部分，分别为有阴影部分和无阴影部分；而且2部分工作腔同时工作。

(e) (f)图1 爪式流体机械吸气、压缩、排气过程和混合过程吸气过程中由于右转子的转动工作腔与吸气口相连通，如图 1(a)-(e)过程是无阴影工作腔的吸气过程，图(b)～(d)为吸气过程中，工作腔始终与吸气口相连通，气体被吸人到工作腔；图(e)为吸气过程结束时刻，此时转子将吸气口被完全遮盖。

如图 1(a)-(c)中的阴影工作腔为压缩过程，压缩腔容积封闭且容积逐渐减小，压力逐渐升高；图(b)为压缩过程中；图(c)为压缩结束时刻，压缩腔即将与排气 口联通 ，即将进入排气过程 。

如图 1(e)-(e)中的阴影工作腔为排气过程，图(c)为即将排气时刻，工作腔即将与排气口联通；图(e)转子将排气口与排气腔隔断，为排气结束时刻。

2.2 混合过程如图1(e)-(f)过程为爪式流体机械特有的混合过程，混合过程为阴影工作腔从排气结束时刻过渡到吸气开始时刻；同时另1个工作腔从吸气结束时刻过渡到压缩开始时刻。混合过程中经历了4个阶段：余隙容积内气体继续压缩过程、膨胀混合过程、新容积腔形成和继续压缩过程、吸气前的膨胀过程。

3 带有泄漏的内压缩工作过程研究爪式流体机械工作腔的密封间隙如图 2所示，间隙1为两转子之间的啮合间隙，间隙2为转子与气缸壁面的啮合问隙，当爪式流体机械进行内压缩过程时气体通过间隙1、2由压缩腔泄漏到吸气腔内。由于进行内压缩过程中吸气腔与排气口始终连通，此泄漏为外泄漏过程。

日J隙1间隙2图2 爪式流体机械的泄漏间隙运用变质量系统热力学可得到爪式流体机械内部的质量变化和压力的变化规律：dm - RT L dt-卫T塑dt] (1) JpVmRT (2)式中 --沿气流方向的轴向坐标A--系统开口面积，m- - 气体常数，J/(kg·K) 温度，Kp--压力，Pa容积，m分别对间隙 1、2取 0.2、0.1、0.05mm进行内压缩过程的研究，并且爪式流体机械腔作为- 个封闭腔，其研究过程中整个腔内的初始值相同为：绝压 1.01×10 Pa的理想气体 ，质量为0.31g。 。

如图3所示(a)-(c)分别为间隙0.2、0.1、0.05mm内压缩结束时刻的压力云图，通过数值模拟的各个时刻的温度值与压力值计算出腔内的质量与相应的腔内的压力并绘制出质量与压力变化规律曲线，如图4、5。

2013年第4l卷第4期 流 体 机 械 575 结论(1)风机盘管风机送风口设置在送风面中间位置，虽然提高了来流场气流分布的均匀性，但是在送风空间来流场两侧具有回流现象，两侧速度分布很不稳定；(2)将送风空间的两侧改为从风机送风口处开始的渐扩风道形式情况，可削弱送风空间两侧回流现象，气流分布均匀性虽然得到提高，但其两侧的速度平均值有所降低；(3)在送风空间内增加导流片，虽然气流在送风空间内部的阻力增加，但能使来流场气流分布更加均匀，送风空间出口的速度平均值也有所提高；(4)针对风机盘管送风空间气流分布不均匀的特点，提出改变风机送风口位置、通过改变从风机送风口处的风道形式以削弱来流场两侧回流区阻力和在送风空间内增加导流片，从图4-6的对比可以看出，送风空间的流速场得到了优化。