涡旋压缩机因其高效低噪、节能省材等特点被广泛应用于制冷、空调等行业。随着无油涡旋压缩机的飞速发展,食品机械、医疗机械、新能源等领域的应用也与日俱增。由于涡旋压缩机是依靠两个涡旋盘啮合形成容积变化而实现气体压缩,因此两盘之间必然存在轴向和径向啮合间隙,由此引起的介质内部泄漏是影响涡旋压缩机效率和在大功率工况下应用的技术难题,特别是轴向间隙的泄漏问题一直是涡旋压缩机开发的瓶颈。本文以变截面无油涡旋压缩机为研究对象,从涡旋齿型线几何设计理论出发,分析了多场耦合下涡旋齿变形对轴向间隙的影响。利用流体力学和密封技术的知识研究轴向间隙泄漏机理及其控制方法,基于工程应用需求设计涡旋盘轴向间隙密封结构和研制高性能密封材料。为研制具有核心竞争力的高效无油涡旋压缩机提供了理论参考。论文具体研究工作和成果如下:(1)变截面型线生成理论的间隙泄漏线计算模型研究。根据型线啮合理论,建立组合型线方程,确立各工作腔瞬时容积计算方法。基于工作腔瞬时型线组成理论,建立组合型线轴向间隙的径向泄漏线长度关于主轴转角的函数,拓展出径向泄漏线的通用计算模型。分析了型线参数对泄漏线长度的影响。基于泄漏线计算方法进行涡旋齿气体力的计算。为准确计算轴向间隙泄漏量、选择型线最佳参数、涡旋齿受力变形分析等研究奠定基础。(2)基于动网格技术的涡旋压缩腔内流场计算。为了研究涡旋齿受力变形对轴向间隙的影响,必须准确计算涡旋齿所承受的温度载荷和压力载荷。利用动网格局部重构的方法,对泄漏间隙局部加密处理,完成变截面涡旋压缩机三维瞬态模拟,得到温度场、压力场、气体流速瞬时变化规律。结果表明在即将排气时刻,气体压力最大,当中心腔刚和排气孔连通后,中心腔压力迅速和排气腔压力相等。由于热量随着气流顺着排气孔流处,使得排气孔附近温度最高。并且排气前后气体压差较大,气流速度最快。(3)耦合场作用下变截面涡旋齿变形与轴向间隙变化关系研究。将流场分析结果将作为边界载荷,分析涡旋齿在单场和多场耦合作用下涡旋齿的应力和变形,得到涡旋齿在多场耦合作用下应力分布和轴向变形规律,得出涡旋齿变形对轴向间隙的影响。结果表明:温度对涡旋齿变形的影响大于气体力的影响;变截面涡旋齿由于壁厚随展角变化而变化,相对于等截面涡旋齿抗变形的能力明显增强;模拟动、静涡旋盘装配后,在耦合场作用下分析发现动、静涡旋齿变形会存在干涉,涡旋盘轴向变形直接影响轴向间隙大小。通过研究涡旋盘的变形机理,发现涡旋齿安装间隙控制在0.025mm以内较合理。并且得到轴向间隙随着涡旋齿型线展角的变化规律。(4)考虑变间隙变齿厚的涡旋齿轴向间隙泄漏机理研究。基于轴向间隙变化规律以及齿厚变化规律,推导出考虑倾覆力矩的变截面涡旋齿轴向间隙的计算公式,结合涡旋齿变形,得出变截面涡旋齿齿厚随展角的表达式。基于范诺流和湍流理论,全面考虑转速、粘度、轴向间隙值、齿厚等参数建立变截面涡旋压缩机轴向间隙泄漏模型,分析了基圆半径、轴向间隙、动涡旋盘转速分别对轴向间隙泄漏的影响,并通过模拟泄漏量测试实验对理论模型进行了验证。研究结果表明:在高转速下,利用湍流流动计算模型能够准确预测涡旋压缩机轴向间隙的泄漏,基于范诺流理论的计算模型更适用于中低速;合理控制轴向间隙以减小间隙泄漏量,进而提高涡旋压缩机工作效率;所建立的计算模型可以用来预测轴向间隙的泄漏,对设计轴向间隙密封结构提供依据。(5)基于泄漏量控制方法的变截面涡旋齿轴向间隙密封结构的研究。根据涡旋齿变形机理和所建立的轴向间隙泄漏量计算模型,搭建基于涡旋压缩机实际工况的试验测试平台。对迷宫密封、光滑密封、密封槽密封结构的泄漏机理进行了研究,并通过试验对比三种密封结构的密封性能。结果表明试验实测值和理论计算值变化趋势相似,证明了理论计算模型的准确性。并且发现迷宫密封泄漏量实测值为光滑密封实测值的80%左右,密封槽密封泄漏量实测值为光滑密封实测值的63%左右。证明了密封槽密封的优势。但当改变试验工况条件时,密封槽结构和密封条材料摩擦性能缺陷凸显,造成密封过早失效。基于上述研究结果,为了提升密封性能和可靠性,设计了新型轴向间隙密封槽结构。采用槽底开孔将高压腔气体引入密封条底部,实现轴向间隙补偿,并通过泄漏量测试平台验证了该密封结构的泄漏量比原结构减少50%以上。(6)变截面涡旋压缩机实际工况下间隙密封材料研究。密封槽结构的可靠性主要取决于密封材料的性能。当前密封条材料摩擦学性能差、寿命短等问题,无法满足当前涡旋压缩机密封的使用要求。以变截面涡旋压缩机实际工况为边界条件,以聚四氟乙烯为基体将聚酰亚胺和石墨等按照不同比例混合填充聚四氟乙烯制成复合材料,通过模拟试验,确定最佳配比,研制出满足摩擦因数低、磨损率小、耐高温的密封材料。即25%聚酰亚胺和5%石墨,以及微量铜粉混合填充聚四氟乙烯制成复合材料。为了验证该材料在涡旋压缩机齿顶密封中的应用,将其制成密封条,在模拟试验台上进行测试并和现有密封材料对比。结果表明填充聚四氟乙烯材料摩擦因数降低近一倍,磨损率减少近30倍,承受极限温度提高近2倍。