Investigation of the Radial Clearance Leakage in Rolling Piston Compressors
YAN Gang MA Zhenjun WU Jianhua
Abstract Among refrigerant leakages are caused by clearance fit in rolling piston compressors, the maximal amount of leakage is occurred in the radial clearance, which is mainly processed by the mode that the refrigerant dissolves into the lubricant. The sequential changes of the radial clearance are considered in this paper. It uses lubricant』s flow model to calculate the amount of leakage of refrigerant in the system, and validates the effect of leakage on the rolling piston compressor through the performance experimentation of changing radial clearance individually, while other clearance fits are not altered. So, the leakage losses of rolling piston compressor can be reduced effectively by designing the value of leakage clearance rationally.
Keywords rolling piston compressor radial clearance leakage
滾動轉子式壓縮機屬於迴轉式壓縮機，目前廣泛應用於冰箱、空調及小型商用製冷裝置中。在滾動轉子式壓縮機內，各零部件之間的間隙很小，潤滑油充斥其間，起到潤滑和密封的作用。文獻[1]認為製冷劑的間隙泄漏並非單一的液相流動，而是在高壓側溶入大量製冷劑的潤滑油液體，在流動過程中，由於壓力的降低，使得製冷劑從液相中逸出，形成大量氣泡。而製冷劑的泄漏是影響到滾動轉子壓縮機的製冷量、功率和效率的主要因素，文獻[2]經過計算給出了由泄漏引起的壓縮機的質量流量損失為3.5％。因此，泄漏一直是滾動轉子式壓縮機的研究重點。
滾動轉子式壓縮機的轉子外表面與氣缸內表面的接觸線是氣缸的吸氣腔與壓縮腔的分界線，此接觸線上存在的間隙稱為轉子徑向間隙。對於通過轉子徑向間隙的泄漏，文獻[3][4]按照純製冷劑氣體流動來處理，但從準確性和實用性的角度考慮，都存在不足之處。為此，本文建立了完整的潤滑油流動模型，來模擬壓縮機內部轉子徑向間隙的製冷劑泄漏過程。
1 轉子壓縮機間隙泄漏通道的確定
滾動轉子式壓縮機有六個泄漏通道，如圖1所示。它包括滑片兩端與氣缸端蓋間隙L1，滑片兩側與滑槽的間隙L2、L3，轉子兩端與氣缸端蓋的間隙L4、 L5，轉子外表面與氣缸內表面的徑向間隙L6。這些間隙值均存在一個優選設計問題。若將間隙值設計得太大,製冷劑氣體和油的泄漏量將大大增加,使壓縮機性能下降。如果為防止泄漏損失而將間隙值設計過小,這會增加加工、裝配及軸承精度等的要求,摩擦功耗增加,也將導致壓縮機性能降低。此外,在壓縮機運行過程中,間隙值隨零部件的變形和壓力、溫度的變化而變化,大部分間隙均會保持在裝配公差之內。由於轉子徑向間隙的變化不僅與它們的直徑、曲軸偏心距的實際尺寸以及選配公差有關，還受到氣缸與軸承座的裝配同心度和主軸承以及轉子的動態性能的影響，變化幅度比較大，因此必須考慮徑向間隙的動態變化，其計算簡圖如圖2。在本文的模型中不考慮零部件變形對間隙的影響。
圖1 間隙泄漏通道簡圖
圖2 動態徑向間隙計算簡圖
轉子的徑向間隙值 和氣缸半徑 、轉子外徑 及氣缸中心與轉子中心之間的距離 有關，即
（1）
由於壓縮機沒有轉動，軸的中心線在設計時與氣缸的中心線重合，轉子中心線與曲軸的偏心輪中心線重合，這時轉子的偏心距 就應等於曲軸的偏心距 ，因此轉子的徑向間隙為：
（2）
此時的間隙為靜態間隙。靜態間隙的大小與壓縮機的運行工況、運行狀態無關，只取決於設計值和選配公差。然而在壓縮機的實際運行過程中，由於轉子受力的不均勻，轉子與偏心輪組成的轉子軸承和前後兩個支撐軸承是在動載荷的作用下運轉的，軸承的動態特性直接導致了轉子的偏心距的變化，因此轉子的徑向間隙在壓縮機運行過程中是不斷變化的，需要在建立模型時予以考慮。根據軸承的動態特性和幾何特性，轉子的徑向間隙為：
（3）
(4)
(5)
其中 表示為轉子軸承在動載荷的作用下，轉子中心線偏離偏心輪中心線的距離； 表示為支撐軸承在動載荷的作用下，在轉角 方向上軸心偏離氣缸中心線的距離； 為轉子軸承的半徑間隙； 為轉子軸承的半徑間隙； 為轉子軸承的偏心率； 為支撐軸承的偏心率。
2 徑向間隙的製冷劑泄漏模型
2.1 溶有製冷劑的潤滑油流量的計算
根據滾動轉子式壓縮機
