[发明专利]一种用粗糙壁面代替光滑壁面的间隙密封方法

说明书

本发明涉及一种用粗糙壁面代替光滑壁面的间隙密封方法，采用间隙密封的压缩机不需要对气缸内壁面和活塞外壁面进行高光洁度加工，保留一定粗糙度。通过壁面的粗糙壁面可以增加流体流动阻力，有效的减少泄漏量。降低了加工工艺要求，从而降低了成本，同时因泄漏量减少使压缩机效率提高。适用于压缩机间隙密封系统中。

技术领域

本发明涉及一种密封技术，特别涉及一种用粗糙壁面代替光滑壁面的间隙密封方法。

背景技术

1816年，Stirling提出了一种由两个等温压缩和膨胀过程与两个等容回热过程组成的闭式热力循环，称为斯特林循环。1862年，Krik将其逆循环用于制冷并获得成功，该循环称为逆向斯特林循环，也称斯特林制冷循环。早期的斯特林制冷机由于可靠性和寿命问题限制了它在空间的应用，传统的斯特林制冷机一般采用活塞环实现密封,这种密封存在磨损,因而工作寿命受到限制。运动部件上的密封环摩擦带来的污染及密封环本身的磨损是影响制冷机使用寿命、增加泄漏的一个重要因素。直到牛津型斯特林制冷机的出现，制冷机的稳定性和寿命才得以大大提高。牛津型斯特林制冷机是20世纪80年代初，牛津大学Davy首次在制冷机中采用线性驱动、间隙密封、摆线悬梁板弹簧支撑、工质泄漏污染等关键技术而研制成功的制冷机。

这类制冷机的压缩机活塞由直线电机驱动自由压缩活塞，线性驱动方法的制冷机在寿命上占有优势，不但减少了运动部件，简化了结构，而且大幅度减少了干扰。自由活塞斯特林制冷机采用板弹簧支撑的间隙密封，利用板弹簧的轴向刚度小，径向刚度大来保证活塞与气缸的间隙密封。与传统的环密封相比，间隙密封轴孔两零件采用间隙配合，使两零件无接触。因此摩擦损失减小，提高了制冷机的寿命。

间隙密封技术的性能研究早在19世纪70年代后期就开始了，起初间隙密封被看成作用在轴上的轴承，而间隙密封最初用于危险性气体压缩的透平压缩机的轴端密封。随后间隙密封技术在线性压缩机上也得以应用，线性压缩机中的活塞与气缸壁之间存在微小的间隙，目前这个间隙尺寸小于20μm，间隙在压缩机运行时起到密封作用。尽管如此小的间隙，但是仍旧存在流体由压缩腔往背压腔泄漏，造成一定的间隙损失。美国国家标准研究院(NIST)的Marquardt E.和Radebaugh R.提出了间隙宽度与间隙损失的简单公式，该公式的可以在压缩机设计过程中提供间隙厚度的初步估算。Reed J.S.和Davey G.研究了间隙密封中的流体流动，假定该直线型间隙密封形式不存在任何阻碍，提出了间隙中的流体属于层流流动。随着研究的深入以及后来计算技术的普及，上世纪90年代初期间隙密封的有限元分析方法被Reedy等人用于模拟计算，这种方法使得计算结果更加完善，并得到了许多研究人员的认可，因此采用数值方法模拟间隙密封在实际工况下运转的实例被越来越多的使用。2005年，Reed J.S.和Bailey P.B.提出了关于间隙密封损失新的理论计算公式，并且采用了计算流体力学的方法验证该理论。2008年，上海理工大学的陈曦等人探讨了自由活塞斯特林制冷机中的间隙密封，建立了层流工况下间隙密封的数学模型并推导了间隙密封的泄漏量，同时提出了线性压缩机中间隙密封泄漏对压缩机的影响。在直线压缩制冷机中，一般用间隙密封来代替接触密封，但是由于有间隙的存在，当间隙两端的压力不相等时就会造成间隙内气体的泄漏，导致制冷机的制冷量减小，影响制冷机的工作寿命和可靠性。间隙密封的质量流泄漏量公式如下：

间隙密封的质量流泄漏量由两部分组成，第一部分泄漏是速度引起的泄漏量，第二部分为间隙密封面两端的压差所导致的泄漏量。且间隙宽度的增大，泄漏量不断增大。

发明内容

本发明是针对间隙密封对零件的几何形状和表面高精度加工要求的问题，提出了一种用粗糙壁面代替光滑壁面的间隙密封方法，采用间隙密封的压缩机不需要对气缸内壁面和活塞外壁面进行高光洁度加工，保留一定粗糙度。通过壁面的粗糙壁面可以增加流体流动阻力，有效的减少泄漏量。活塞与气缸内壁面保持一定的间隙，以减小活塞与气缸内壁面的摩擦。