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1、斯特林制冷机回热器密封间隙泄漏率分析东华大学环境科学与工程学院 陶丽 顾平道摘 要：回热器是斯特林制冷机冷头的重要组成部分。传统的回热器使用接触式滑动密封，存 在磨损，限制制冷机的使用寿命。间隙密封的应用则可以在完成密封作用的同时消除接触磨损和 因此而产生的污染。但由于间隙内气体的泄漏，引起了冷量损失，使制冷量减少。本文建立了间 隙密封式斯特林制冷机间隙泄漏率的数学物理模型，并获得了密封间隙的泄漏率的表达式。关键词：斯特林制冷机 回热器 间隙密封 泄漏率斯特林制冷机冷头主要山冷腔、室温腔及回热器组成。制冷机冷头的性能主要取决于回热器的性 能。因此，要解决斯特林制冷机的可靠性问题，首先要提高I叫
2、热器的工作寿命。长寿命斯特林制冷机采用间隙密封，降低密封轴孔间的濟损，提高工作寿命。如果采用传统的胀 圈式接触密封，早期的密封效率高，但磨损较严重，产生污染物，并且随着运行时间的增加，其麻期 的密封性能下降，影响制冷效率，最终导致制冷机寿命终结。因此，长寿命斯特林制冷机只有采用间 隙密封，才能满足对寿命的要求。间隙密封是利用密封零件之间的径向微小间隙及该间隙在轴向的一 定长度来实现的一种密封形式。它的孔轴两部件采用间隙配合，通过定心装配，使得两部件之间无接 触。间隙密封的突出优点是无濟损、不产生污染物、密封性能稳定，尤其适合星载长寿命斯特林制冷 机。采用间隙密封是提高斯特林制冷机工作寿命和可靠
3、性的关键技术胆。就斯特林制冷机回热器而言，共有两处采用间隙密封，一为回热器与气缸之间，二为回热器轴与 密封座之间。1回热器与气缸壁的密封间隙内气体流动特性4, 5, 61. 1层流流动对间隙内气体流动，当雷诺数Rc4000时，间隙内气体为湍流流动。在此区间，气体流动比较复杂，无确定的方程式, 只能依靠经验公式。根据阻力系数Cd及克劳修斯经验公式,阻力系数 A = Cd = 0.079/?/,式中：厂表示气体接触的单位表面积上的摩擦力，ipU2表示惯性力。/P+並dvP、f图2 间隙内的体积微元取间隙中的一个体积微元为研究对-象，如图2所示。根据受力平衡（忽略重力），则:Z型胡 dx丿 根据以上
4、分析，可化为： 坐=0.（）79 厅2rdx = ph-h p +对环形间隙Re二,即：- = -2- dx hRe1 h12 = pTiDhU ,dp _ 0.066“勺2% dx 胪（疥）%。上式可表示为:将气体状态方程代入上式，则:f0.066/x/?TG9x ,等温及常粘度时，湍流流动的间隙泄漏率可表示为：G/ = 0边护祝当温度沿X方向按线性变化，根据经验公式z/（T）= 5.O23xlO-7T0647 ,则湍流工况下泄漏率的表达式为:%二时-两(历)%胪(笃Tj12 - 1.625 xl(r3/?L(T22162 -T,2 62) 2密封座与轴之间间隙内气体流动特性2. 1层流流动
5、此时，间隙内的气体主要起润滑和密封的作川，可减小密封座与轴摩擦的同时减少气体的泄漏量。 气体的泄漏主要引起压力波幅值的减小，町认为：(1)间隙内温度不变，为常数；(2)孔隙在往复相对运动过程中没有旋转运动，间隙内气体可看作一维流动，其流动模型同23； (3)沿流动膜厚度方 如=0向上不计压力变化，內 ;(4)忽略质量力的影响；(5)内外圆林面是同心的，因此间隙高度在圆周方向处处相等；(6)流体的惯性力与粘滞力相比可以忽略不计，即流动是准稳的；(7)间隙内气pj - pDh24 pRTL-体为完全气体。类似分析，则等温、常粘度情况，泄漏率的表达式为：G2I =式中:山为密封座直径；12为回热器轴
6、直径；为动力粘性系数；门为间隙进口压力；几为间隙出口压力或冷头气动腔压力。3.2湍流流动 根据前面的分析,当间隙高度、温度及粘度不变吋，湍流工况下,泄漏率的农达式为:0.132“/?7L结论(1) 在-般情况下，为方便加工，间隙/2取得稍大-些。但是，间隙增大，泄漏率增大，使制冷效率 降低。因此，应综合考虑间隙力的选取。(2) 应有最住间隙存在。通过以上儿个量的相互权衡，改变一些工作参数，可求出最佳间隙及其对应 的泄漏率、压力、相位角、工作频率等参数。(3) 密封座与冋热器轴之间间隙内气体泄漏率与间隙高度成正比。所以，在保证密封朋与回热器轴不 会卡死的情况下，应尽量减小间隙高度，从而减小汕漏率
7、，提高制冷机效率。参考文献1 达道安.空间低温技术M.北京：宇航出版社，1991.2 陶丽，陈俊华.斯特林制冷机回热器间隙密封冷量损失分析(一)J江苏工业学院学报,2004, 16 (3) : 18-20.3 Radebaugh.低温制冷机的最新研究进展J.低温与特气，1996, 2： 16-26.4 邓晓辉，郭方中.回热式制冷机间隙密封泄漏率的计算及实验研究J低温工程，1995, 1： 42-50.5 Chi K.Tsao.Temperature distribution and power loss of a gas-cooled suppert for a cryogenic containcrJ.CRYOGENICS ,1974, 5: 271-275.6 Allan J Organ. The miniature,reversed Stirling Cycle Cryocooler integrated simulation of Performance!J, Cryogenics, 1999,39 (15) :253-266.
