CN101975164A - 旋叶式压缩机 - Google Patents

Abstract

一种旋叶式压缩机涉及汽车空调用旋叶式压缩机，特别涉及轿车、SUV、微型客车、轻重型卡车空调旋叶式压缩机。该压缩机包括缸体、转子、叶片、前、后端盖，所述缸体内由其型线沿该缸体中心线形成对称的工作腔。该工作腔任意截面上按逆时针方向沿转子转角

从0°～360°的型线分布依次为第一圆弧段型线、第一叶片伸长段型线、第二圆弧段型线、第一叶片收缩段型线、第三圆弧段型线、第四圆弧段型线、第二叶片伸长段型线、第五圆弧段型线、第二叶片收缩段型线、第六圆弧段型线，各段型线的末端与其相邻型线的首端光滑连接。该压缩机增大了排量，提高了压缩效率及容积效率，叶片运动的速度与加速度均无突变，叶片对缸体无冲击，同时提高了缸体与转子间的密封性。

Description

旋叶式压缩机

技术领域

本发明所涉及一种汽车空调用旋叶式压缩机，特别涉及轿车、SUV、微型客车、轻重型卡车空调压缩机。

背景技术

为减少汽车空调压缩机的缸体最小向径处转子与缸体间的泄露和获得最大的容积效率，各国学者在缸体型线研究方面作了大量工作，提出了多次函数型线、三角函数型线和多段组合曲线等。郭蓓，李连生，束鹏程分析了椭圆曲线、三次曲线、简谐曲线作为缸体型线的动力特性，表明了简谐曲线型线具有较好的速度和加速度特性，目前旋叶式压缩机广泛采用的是以简谐曲线作为缸体型线，尽管其型线对叶片的运动具有较好的速度及加速度特性，但由于采用单一曲线作为缸体型线，其压缩效率不高且转子与缸体接触处易泄露，导致容积效率降低。

传统的方法是首先确定某型线作为缸体型线，再由该缸体型线来分析叶片的运动以评价型线的优劣，且以缸体型线极坐标方程的极径变化表征叶片的运动，极角的变化表征转子转角的变化，这对于叶片对心布置的缸体型线的是可行的，而对叶片偏心布置的缸体型线，其分析的误差随叶片偏心距增大而增大。这尤其在研究多段组合曲线作为缸体型线时，将导致实际运动学曲线不光滑，使得压缩机磨损和泄漏加剧，因而研究所获得的型线在实际工程设计中难以应用。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种旋叶式压缩机，使该压缩机的叶片运动的位移、速度、加速度连续，且速度与加速度均无突变，叶片对缸体无冲击，减缓了缸体压力的变化使该压缩机运转更平稳，减小转子与缸体间的泄露，在不改变原有压缩机结构参数R及r的条件下，增加该压缩机的排量和提高其压缩效率及容积效率。

在本发明中，将缸体型线的设计归结为叶片运动规律模型的建立，所建立的运动规律首先确保叶片工作时的叶片位移、速度、加速度的连续性，由此保证了叶片运动时对缸体无冲击，同时兼顾缸体型线设计所期望的容积效率、压缩效率、低泄漏和改善叶片受力状态以及减少摩擦的功率损耗和控制压力波动等，获得优化的叶片运动规律模型。再根据压缩机的结构参数，得到缸体型线的几何方程，从而得到该叶片运动规律所对应的优化多段组合缸体型线。

为实现上述发明目的，其技术方案是：

旋叶式压缩机包括缸体、转子、叶片、前、后端盖，所述缸体内由其型线沿该缸体中心线形成对称的工作腔。该工作腔任意截面上按逆时针方向沿转子转角

从0°～360°的型线分布依次为：第一圆弧段型线、第一叶片伸长段型线、第二圆弧段型线、第一叶片收缩段型线、第三圆弧段型线、第四圆弧段型线、第二叶片伸长段型线、第五圆弧段型线、第二叶片收缩段型线、第六圆弧段型线。各段型线的末端与其相邻型线的首端光滑连接。其中第一圆弧段型线以缸体型线中心O为圆心，半径为r的圆弧，该段型线始端对应的转角的弧度为0，末端对应的转角的弧度为ψ₁；第一叶片伸长段型线由做正弦修正梯形加速度变化且均向外凸起的五条曲线依次光滑连接而成，该段型线段末端所对应的转角的弧度为ψ₂；第二圆弧段型线以缸体型线中心O点为圆心，半径为R的圆弧，该段型线末对应的转角的弧度为ψ₃；第一叶片收缩段型线由做正弦修正梯形加速度变化且均向外凸起的五条曲线依次光滑连接而成，该段型线末端所对应的转角的弧度为ψ₄；第三圆弧型线段为以缸体中心O点为圆心、r为半径的圆弧，该段型线末端所对应的转角的弧度为π；第四圆弧段型线与第一圆弧段型线的圆心O和半径r相同，该段型线末端对应的转角的弧度为π+ψ₁；第二叶片伸长段型线与第一叶片伸长段型线形状相同，该段型线末端所对应的转角的弧度为π+ψ₂；第五圆弧段型线与第二圆弧段型线的圆心O和半径R相同，该段型线末端对应的转角的弧度为π+ψ₃；第二叶片收缩段型线与第一叶片收缩段型线形状相同，该段型线段末端所对应的转角的弧度为π+ψ₄；第六圆弧段型线与第三圆弧段型线的圆心O和半径r相同，该段型线末端对应的转角的弧度为2π；当该压缩机工作时，各叶片在转子的带动下沿缸体内的型线转动。

缸体型线的极坐标方程：

以截面上缸体中心线上的一点O为极点，从O点的水平射线OX为极轴。对于缸体型线上任一点Q，用ρ表示极径；θ表示极角，取逆时针方向为正；建立极坐标系。

缸体型线的极坐标方程为：

其中，式中

的方程如下：

时，θ∈[0，π]

的方程为：

时，θ∈[π，2π]，

的方程为：

转角取值范围是：

${\mathrm{\ψ}}_1=0~\frac{\mathrm{\π}}{36};$ ${\mathrm{\ψ}}_2=\frac{\mathrm{\π}}{3}~\frac{2\mathrm{\π}}{5};$ ${\mathrm{\ψ}}_3=\frac{\mathrm{\π}}{2}~\frac{5\mathrm{\π}}{9};$ ${\mathrm{\ψ}}_4=\frac{17\mathrm{\π}}{18}~\mathrm{\π}$

上述方程中符号的含义分别为：

变量：

ρ-缸体型线的极径；θ-缸体型线极径对应的极角；

-叶片的位移；-转子的转角；

已知量：

r-第一、三、四、六圆弧段型线的圆弧半径；

R-第二、五圆弧段型线的圆弧半径；

e-叶片中心线对应的偏距；

ψ₁-第一圆弧段型线从始端到末端对应转子转角的弧度；

ψ₂-从第一圆弧段型线始端到第一叶片伸长段型线末端对应转子转角的弧度；

ψ₃-从第一圆弧段型线始端到第二圆弧段型线末端对应转子转角的弧度；

ψ₄-从第一圆弧段型线始端到第一叶片收缩段型线末端对应转子转角的弧度；计算得到的量：

h-叶片的最大位移，

Φ₁-第一、二叶片伸长段型线对应转子转角的弧度，Φ₁＝ψ₂-ψ₁；

Φ₂-第一、二叶片收缩段型线对应转子转角的弧度，Φ₂＝ψ₄-ψ₃；中间量：

$S_0=\sqrt{r^2-e^2};$ $\mathrm{\α}=\arctan \frac{e}{S_0};$ Ω₁＝4π/Φ₁；Ω₂＝4π/Φ₂； $a_{1\max }=\frac{8\mathrm{\πh}}{{{(\mathrm{\π}+2)\mathrm{\Φ}}_1}^2};$

$a_{2\max }=\frac{8\mathrm{\πh}}{{{(\mathrm{\π}+2)\mathrm{\Φ}}_2}^2};$ $C_1=\frac{2h}{(\mathrm{\π}+2){\mathrm{\Φ}}_1};$ C₂＝0； $C_3=\frac{(2-\mathrm{\π})h}{(\mathrm{\π}+2){\mathrm{\Φ}}_1};$ $C_4=\frac{({\mathrm{\π}}^2-8)h}{16\mathrm{\π}(\mathrm{\π}+2)};$

$C_5=\frac{2(\mathrm{\π}+1)h}{(\mathrm{\π}+2){\mathrm{\Φ}}_1};$ $C_6=-\frac{\mathrm{\π}h}{2(\mathrm{\π}+2)};$ $C_7=\frac{(7\mathrm{\π}+2)h}{(\mathrm{\π}+2){\mathrm{\Φ}}_1};$ $C_8=\frac{(8-33{\mathrm{\π}}^2)h}{16\mathrm{\π}(\mathrm{\π}+2)};$ $C_9=\frac{2h}{(\mathrm{\π}+2){\mathrm{\Φ}}_1};$

$C_{10}=\frac{\mathrm{\πh}}{\mathrm{\π}+2};$ $C_{11}=\frac{2h}{(\mathrm{\π}+2){\mathrm{\Φ}}_2};$ $C_{12}=\frac{\mathrm{\πh}}{\mathrm{\π}+2};$ $C_{13}=\frac{(7\mathrm{\π}+2)h}{(\mathrm{\π}+2){\mathrm{\Φ}}_2};$ $C_{14}=\frac{(8-33{\mathrm{\π}}^2)h}{16\mathrm{\π}(\mathrm{\π}+2)};$

$C_{15}=\frac{2(\mathrm{\π}+1)h}{(\mathrm{\π}+2){\mathrm{\Φ}}_2};$ $C_{16}=-\frac{\mathrm{\πh}}{2(\mathrm{\π}+2)};$ $C_{17}=\frac{(2-\mathrm{\π})h}{(\mathrm{\π}+2){\mathrm{\Φ}}_2};$ $C_{18}=\frac{({\mathrm{\π}}^2-8)h}{16\mathrm{\π}(\mathrm{\π}+2)};$ $C_{19}=\frac{2h}{(\mathrm{\π}+2){\mathrm{\Φ}}_2};$

C₂₀＝0。

本发明的技术效果是：各段型线处处光滑连续，叶片的在整个运动过程中速度、加速度连续且速度与加速度均无突变，叶片对缸体无冲击，同时使叶片向内缩进的相对运动的惯性力减小。与目前广泛采用的单一简谐型线作为缸体型线的旋叶式压缩机相比，在不改变原有压缩机结构参数R及r的条件下，增大了排量，并使吸气和排气的效率大大提高。由于在缸体与转子的接触处引入了圆弧段，提高了缸体与转子间的密封性。

以目前广泛应用于小型轿车和微型客车的的JSR96型(吸气容积96mL)旋叶式压缩机为例，采用现有简谐型线和本发明型线的对比如表1：

表1：JSR96型压缩机应用本发明前后主要性能参数对比表

表中角度如图5(a)、(b)、(c)和(d)所示。

以目前广泛应用于紧凑型轿车、SUV、轻重型卡车的JSR120型(吸气容积120mL)旋叶式压缩机为例，采用现有简谐型线和本发明型线的对比如表2：

表2：JSR120型压缩机应用本发明前后主要性能参数对比表

表中角度如图6(a)、(b)、(c)和(d)所不。

附图说明

图1为压缩机缸体的截面示意图；

图2为本发明各型线段分布图；

图3为旋叶式压缩机工作原理的示意图；

图4为相同结构参数条件下，本发明型线与原简谐型线的比较示意图；

图5(a)为原简谐型线应用于JSR96型压缩机，最大容积时对应的叶片位置示意图；

图5(b)为本发明型线应用于JSR96型压缩机，最大容积时对应的叶片位置示意图；

图5(c)为原简谐型线应用于JSR96型压缩机，开始排气时对应叶片位置示意图；

图5(d)为本发明型线应用于JSR96型压缩机，开始排气时对应叶片位置示意图；

图6(a)为原简谐型线应用于JSR120型压缩机，最大容积时对应的叶片位置示意图；

图6(b)为本发明型线应用于JSR120型压缩机，最大容积时对应的叶片位置示意图；

图6(c)为原简谐型线应用于JSR120型压缩机，开始排气时对应叶片位置示意图；

图6(d)为本发明型线应用于JSR120型压缩机，开始排气时对应叶片位置示意图；

图7为本发明缸体型线对应的叶片位移曲线示意图；

图8为本发明缸体型线对应的叶片速度曲线示意图；

图9为本发明缸体型线对应的叶片加速度曲线示意图；

图中：1-缸体，2-转子，3-叶片，1-1-排气口，1-2-进气口，4-简谐型线，5-新型线。

具体实施方式

实施例1：

本发明应用于JSR96型旋叶式压缩机：

第一、三、四、六圆弧段型线的圆弧半径：r＝25.0mm；

第二、五圆弧段型线的圆弧半径：R＝33.5mm；

叶片中心线对应的偏距：e＝7.0mm；

角度参数取值：ψ₁＝0； ${\mathrm{\ψ}}_2=\frac{2\mathrm{\π}}{5};$ ${\mathrm{\ψ}}_3=\frac{\mathrm{\π}}{2};$ ${\mathrm{\ψ}}_4=\frac{17\mathrm{\π}}{18}$

缸体型线的极坐标方程为：

其中，式中

的方程如下：

时，θ∈[0，π]，

的方程为：

时，θ∈[π，2π]，的方程为：

缸体型线的数据如表3所示，表中

和θ的单位为°，ρ的单位为mm：

表3：实例1缸体型线极径和极角数据表：

实施例2：

本发明应用于JSR120型旋叶式压缩机：

第一、三、四、六圆弧段型线的圆弧半径：r＝27.5mm；

第二、五圆弧段型线的圆弧半径：R＝37mm；

叶片中心线对应的偏距：e＝7mm；

角度参数取值： ${\mathrm{\ψ}}_1=\frac{\mathrm{\π}}{36};$ ${\mathrm{\ψ}}_2=\frac{61\mathrm{\π}}{180};$ ${\mathrm{\ψ}}_3=\frac{19\mathrm{\π}}{36};$ ${\mathrm{\ψ}}_4=\frac{35\mathrm{\π}}{36}$

缸体型线的极坐标方程为：

其中，式中

的方程如下：

时，θ∈[0，π]，

的方程为：

时，θ∈[π，2π]，

的方程为：

缸体型线的数据如表4所示，表中

和θ的单位为°，ρ的单位为mm：

表4：实例2缸体型线极径和极角数据表：

Claims (3)

1.一种旋叶式压缩机包括缸体、转子、叶片、前、后端盖，其特征在于所述缸体内由其型线沿该缸体中心线形成对称的工作腔；该工作腔任意截面上按逆时针方向沿转子转角 

从0°～360°的型线分布依次为：第一圆弧段型线、第一叶片伸长段型线、第二圆弧段型线、第一叶片收缩段型线、第三圆弧段型线、第四圆弧段型线、第二叶片伸长段型线、第五圆弧段型线、第二叶片收缩段型线、第六圆弧段型线，各段型线的末端与其相邻型线的首端光滑连接；其中第一圆弧段型线以缸体型线中心O为圆心，半径为r的圆弧，该段型线始端对应的转角的弧度为0，末端对应的转角的弧度为ψ₁；第一叶片伸长段型线由做正弦修正梯形加速度变化且均向外凸起的五条曲线依次光滑连接而成，该段型线段末端所对应的转角的弧度为ψ₂；第二圆弧段型线以缸体型线中心O点为圆心，半径为R的圆弧，该段型线末对应的转角的弧度为ψ₃；第一叶片收缩段型线由做正弦修正梯形加速度变化且均向外凸起的五条曲线依次光滑连接而成，该段型线末端所对应的转角的弧度为ψ₄；第三圆弧型线段为以缸体中心O点为圆心、r为半径的圆弧，该段型线末端所对应的转角的弧度为π；第四圆弧段型线与第一圆弧段型线的圆心O和半径r相同，该段型线末端对应的转角的弧度为π+ψ₁；第二叶片伸长段型线与第一叶片伸长段型线形状相同，该段型线末端所对应的转角的弧度为π+ψ₂；第五圆弧段型线与第二圆弧段型线的圆心O和半径R相同，该段型线末端对应的转角的弧度为π+ψ₃；第二叶片收缩段型线与第一叶片收缩段型线形状相同，该段型线段末端所对应的转角的弧度为π+ψ₄；第六圆弧段型线与第三圆弧段型线的圆心O和半径r相同，该段型线末端对应的转角的弧度为2π；当该压缩机工作时，各叶片在转子的带动下沿缸体内的型线转动；

缸体型线的极坐标方程：

以截面上缸体中心线上的一点O为极点，从O点的水平射线OX为极轴，对于缸体型线上任一点Q，用ρ表示极径；θ表示极角，取逆时针方向为正，建立极坐标系；

缸体型线的极坐标方程为：

其中，式中 

的方程如下： 

时，θ∈[0，π] 

的方程为：

时，θ∈[π，2π]， 

的方程为： 

转角取值范围是：

上述方程中符号的含义分别为：

变量：

ρ-缸体型线的极径；        θ-缸体型线极径对应的极角；

-叶片的位移； 

-转子的转角；

已知量：

r-第一、三、四、六圆弧段型线的圆弧半径；

R-第二、五圆弧段型线的圆弧半径；

e-叶片中心线对应的偏距；

ψ₁-第一圆弧段型线从始端到末端对应转子转角的弧度；

ψ₂-从第一圆弧段型线始端到第一叶片伸长段型线末端对应转子转角的弧度； 

ψ₃-从第一圆弧段型线始端到第二圆弧段型线末端对应转子转角的弧度；

ψ₄-从第一圆弧段型线始端到第一叶片收缩段型线末端对应转子转角的弧度；计算得到的量：

h-叶片的最大位移， 

Φ₁-第一、二叶片伸长段型线对应转子转角的弧度，Φ₁＝ψ₂-ψ₁；

Φ₂-第一、二叶片收缩段型线对应转子转角的弧度，Φ₂＝ψ₄-ψ₃；

中间量：

Ω₁＝4π/Φ₁；Ω₂＝4π/Φ₂；

C₂＝0；

C₂₀＝0。

2.根据权利要求1所述的旋叶式压缩机，其特征在于：JSR96型旋叶式压缩机缸体型线为：

其中，式中 的方程如下：

时，θ∈[0，π]， 

的方程为： 

时，θ∈[π，2π]， 

的方程为：

。

3.根据权利要求1所述的旋叶式压缩机，其特征在于：JSR120型旋叶式压缩机缸体型线为：

其中，式中 

的方程如下：

时，θ∈[0，π]， 

的方程为： 

时，θ∈[π，2π]， 

的方程为：

。

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