CN102927012B - 涡旋盘结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡旋盘结构，包括具有相同螺旋型线的动涡旋盘和静涡旋盘，螺旋型线由若干个上半圆和若干个下半圆组成，若干个上半圆和若干个下半圆的直径各不相同，且上半圆与下半圆在连接处相切。发明的螺旋型线全部采用圆弧组成，设计简单，制造方便，机械性能大大提高，而且可以保证较高的加工精度，有效降低生产成本。

Description

涡旋盘结构

技术领域

本发明涉及涡旋机械技术领域，特别涉及一种涡旋盘结构。

背景技术

涡旋机械是一种容积式流体机械。主要部件：动涡旋盘、静涡旋盘、防自转机构、曲轴、密封机构等。可广泛应用于气体压缩机械、气体膨胀做功机械、抽真空机械、流体输送机械和流体做功机械。1905年由法国人leon creux发现其工作原理。由于采用渐开线作为动、静涡旋盘的型线，动涡盘在静涡盘中回转平动，涡旋盘型线相互齿合，因此型线需要很高的加工精度，一般车床难以加工渐开线形状的涡盘。直到70年代数控加工技术的出现，使这种机械得以应用，由于这种机械运动部件少，低噪音，低振动，高效率和高可靠性，使得人们对这种机械进行深入的研究。如今，用这种技术制造的压缩机广泛用于中小型空调和制冷单元中。

涡旋机械的开发过程中，遇到的最大问题是涡旋盘型线的设计。它不但决定了加工的难度同时也决定了机械的性能。在过去的三十多年中，人们进行了大量的研究。已提出了许多类型的型线。如圆的渐开线，正多边形的渐开线，线段渐开线，半圆渐开线，代数螺旋线，变径基圆渐开线，包络型线等。

利用上述曲线进行涡旋机械设计，由于参数多，计算繁琐，设计效率低，加工这样的型线必须使用造价昂贵的数控车床，加工成本高，加工效率低。而且这样的曲线质量检验难度大，检验效率低。

发明内容

本发明的主要目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种涡旋盘结构，其具有结构简单，制造和检验快速方便等特点。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案。

本发明提供一种涡旋盘结构，包括动涡旋盘和静涡旋盘，所述动涡旋盘和静涡旋盘具有相同的螺旋型线，所述螺旋型线由若干个上半圆和若干个下半圆组成，所述若干个上半圆和若干个下半圆的直径各不相同，相邻的上半圆与下半圆在连接处相切，上半圆满足以下方程式：

L₁₁＝0；

L_1i＝2(R₂₁+R₂₂+，...，+R_2(i-1))-2(R₁₁+R₁₂+，...，+R_1i)+R₁₁+R_1i，i≠1；下半圆满足以下方程式：

L_2i＝2(R₂₁+R₂₂+，...，+R_2i)-2(R₁₁+R₁₂+，...，+R_1i)+R₁₁-R_2i；

其中，R_1i为第i个上半圆的半径，R_2i为第i个下半圆的半径，L_1i为第i个上半圆与最小半圆的圆心距，L_2i为第i个下半圆与最小半圆的圆心距，i＝1，2，3，...，n，n为螺旋型线的圈数。

优选地，所述动涡旋盘和静涡旋盘为等壁厚，且动涡旋盘在静涡旋盘中的回转半径满足以下方程式：

r＝R₀-b/2

其中，r为回转半径，R₀为所述最小半圆的半径，b为壁厚。

优选地，所述动涡旋盘和静涡旋盘为变壁厚，且动涡旋盘在静涡旋盘中的回转半径满足以下方程式：

r＝R₀-b₀/2

其中，r为回转半径，R₀为所述最小半圆的半径，b₀为最小半圆始端的壁厚。

优选地，所述动涡旋盘和静涡旋盘为等壁厚，且动涡旋盘在静涡旋盘中的回转半径满足以下方程式：

b/2＜r＜R₀-b/2

其中，r为回转半径，R₀为所述最小半圆的半径，b为壁厚。

优选地，所述动涡旋盘和静涡旋盘为变壁厚，且动涡旋盘在静涡旋盘中的回转半径满足以下方程式：

b₀/2＜r＜R₀-b₀/2

其中，r为回转半径，R₀为所述最小半圆的半径，b₀为最小半圆始端的壁厚。

优选地，所述螺旋型线包括内壁和外壁，所述内壁满足以下方程式：

R_1i＝(2i-1)R₀+(i-1)b；R_2i＝2iR₀+(i-0.5)b；

所述外壁满足以下方程式：

R_3i＝(2i-1)R₀+ib；R_4i＝2iR₀+(i+0.5)b；

其中，R_1i为组成内壁的上半圆的半径，R_2i为组成内壁的下半圆的半径，R_3i为组成外壁的上半圆的半径，R_4i为组成外壁的下半圆的半径，i＝1，2，3，...，n，n为螺旋型线的圈数。

优选地，所述螺旋型线包括内壁和外壁，所述内壁、外壁分别满足以下方程式：

R_1i＝R₀+2(i-1)(r+b)；R_2i＝R₀+2(i-1)(r+b)；

R_3i＝R₀+2(i-1)r+(2i-1)b；R_4i＝R₀+(2i-1)r+2ib；

其中，R_1i为组成内壁的上半圆的半径，R_2i为组成内壁的下半圆的半径，R_3i为组成外壁的上半圆的半径，R_4i为组成外壁的下半圆的半径，i＝1，2，3，...，n，n为螺旋型线的圈数。

优选地，所述静涡旋盘上设置有排气孔，所述排气孔的直径为不大于动涡旋盘始端的壁厚或静涡旋盘最小半圆的直径。

本发明的螺旋型线采用若干个半圆拼接而成，并在拼接处设置为相切。同时，使各半圆的半径与圆心距之间遵循一定的数学关系式，使得动涡旋盘在静涡旋盘内回转平动时，动涡旋盘每一圈螺旋型线的外壁始终能与静涡旋盘的内壁相切，从而实现气体的压缩，或气体膨胀做功，抽真空，流体输送和流体做功。本发明的螺旋型线全部采用圆弧组成，设计简单，制造方便，机械性能大大提高，而且可以保证较高的加工精度，有效降低生产成本。

附图说明

图1是本发明的螺旋型线的结构示意图；

图2是本发明实施例一中I型等壁厚静涡旋盘型线；

图3是本发明实施例一中I型等壁厚动涡旋盘型线；

图4是本发明实施例一中I型等壁厚涡旋机械的工作原理图；

图5是本发明实施例二中I型变壁厚静涡旋盘型线；

图6是本发明实施例二中I型变壁厚动涡旋盘型线；

图7是本发明实施例二中I型变壁厚涡旋机械的工作原理图；

图8是本发明实施例三中II型等壁厚静涡旋盘型线；

图9是本发明实施例三中II型等壁厚动涡旋盘型线；

图10是本发明实施例三中II型等壁厚涡旋机械的工作原理图；

图11是本发明实施例四中II型变壁厚静涡旋盘型线；

图12是本发明实施例四中II型变壁厚动涡旋盘型线；

图13是本发明实施例四中II型变壁厚涡旋机械的工作原理图；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施例详细说明本发明的技术方案，以便更清楚、直观地理解本发明的发明实质。

图1是本发明的螺旋型线的结构示意图。

参照图1所示，本发明提供一种涡旋盘结构，包括动涡旋盘和静涡旋盘，动涡旋盘和静涡旋盘具有相同的螺旋型线，且动涡旋盘的螺旋型线为静涡旋盘的螺旋型线旋转180°而成。螺旋型线由若干个上半圆和若干个下半圆组成，这若干个上半圆和若干个下半圆的直径各不相同，相邻的上半圆与下半圆在连接处相切，上半圆满足以下方程式：

L₁₁＝0；

L_1i＝2(R₂₁+R₂₂+，...，+R_2(i-1))-2(R₁₁+R₁₂+，...，+R_1i)+R₁₁+R_1i，i≠1；下半圆满足以下方程式：

L_2i＝2(R₂₁+R₂₂+，...，+R_2i)-2(R₁₁+R₁₂+，...，+R_1i)+R₁₁-R_2i。

其中，R_1i为第i个上半圆的半径，R_2i为第i个下半圆的半径，L_1i为第i个上半圆与最小半圆的圆心距，L_2i为第i个下半圆与最小半圆的圆心距，i＝1，2，3，...，n，n为螺旋型线的圈数。

本发明采用半圆代替传统的渐开线、包络型线及其它几何螺旋线形成涡旋盘的螺旋型线，使得涡旋盘的设计变得简单，加工变得容易，精度显著提高，从而大大降低生产成本，提高涡旋盘的机械性能和使用寿命。

实施例一：

图2是本发明实施例一中I型等壁厚静涡旋盘型线；图3是本发明实施例一中I型等壁厚动涡旋盘型线；图4是本发明实施例一中I型等壁厚涡旋机械的工作原理图。

图2～图4提供一种I型等壁厚涡旋盘结构。

设涡旋盘壁厚为b，内壁最小半圆的半径为R₀，动涡旋盘在静涡旋盘内回转半径为r，则r＝R₀-b/2。

内壁螺旋型线满足以下方程式：

其中，L₀₁＝R₀+b/2，R₀₁＝b/2；

L_1i＝0；R_1i＝(2i-1)R₀+(i-1)b；

L_2i＝R₀+b/2；R_2i＝2iR₀+(i-0.5)b。

外壁螺旋线满足以下方程式：

其中，L_3i＝0；R_3i＝(2i-1)R₀+ib；

$L_{4i}=R_0+\frac{b}{2};R_{4i}=2{\mathrm{iR}}_0+(i+0.5)b;$

L₀₂＝(2n+1)R₀+(n+0.5)b；R₀₂＝b/2。

以上方程式中，R_1i为第i个内壁上半圆的半径，R_2i为第i个内壁下半圆的半径，L_1i为第i个内壁上半圆与最小半圆的圆心距，L_2i为第i个内壁下半圆与最小半圆的圆心距，R_3i为第i个外壁上半圆的半径，R_4i为第i个外壁下半圆的半径，L_3i为外壁第i个上半圆与最小半圆的圆心距，L_4i为外壁第i个下半圆与最小半圆的圆心距，i＝1，2，3，...，n，n为螺旋型线的圈数(下同)。

动涡旋盘和静涡旋盘形成的封闭面积及面积比为：

面积：

$A_1=\mathrm{\π}({4R}_0^2-b^2);$

$A_i=\mathrm{\π}(2i-1)({4R}_0^2-b^2).$

面积比：

${\mathrm{\λ}}_i=\frac{A_i}{A_1}=(2i-1);i=\mathrm{2,3},...,n.$

当i为2，3，4，5，6，7，...时其面积比为3，5，7，9，11，13...，可见此螺旋型线有较大的面积比。

实施例二：

图5是本发明实施例二中I型变壁厚静涡旋盘型线；图6是本发明实施例二中I型变壁厚动涡旋盘型线；图7是本发明实施例二中I型变壁厚涡旋机械的工作原理图。

图5～图7提供一种I型变壁厚涡旋盘结构。

设涡旋盘壁厚分别为b₀，b₁，b₂，...，b_2n，内壁最小半圆的半径为R₀，动涡旋盘在静涡旋盘中回转平动的半径为r，则r＝R₀-b₀/2。

内壁螺旋线满足以下方程式：

L₀₁＝R₀+b₀/2；R₀₁＝b₀/2；

L_1i＝[b₀-b_(2i-2)]/2；R₁₁＝R₀；

$R_{1i}=R_0+2(i-1)r+\frac{b_o}{2}+b_1+b_2+...+b_{(2i-3)}+b_{(2i-2)}/2;i\≠1;$

$L_{2i}=r+\frac{b_o}{2}+b_{(2i-1)}/2;R_{21}=R_0+\frac{b_o}{2}+b_1/2;$

$R_{2i}=R_0+2(i-1)r+\frac{b_o}{2}+b_1+b_2+...+b_{(2i-2)}+b_{(2i-1)}/2;i\≠1;$

外壁螺旋线满足以下方程式：

$L_{3i}=\frac{b_0}{2}+\frac{b_{(2i-1)}}{2};R_{31}=R_0+\frac{b_o}{2}+b_1/2$

$R_{3i}=R_0+2(i-1)r+\frac{b_o}{2}+b_1+b_2+...+b_{(2i-2)}+b_{(2i-1)}/2;i\≠1;$

$L_{4i}=r+\frac{b_o}{2}+b_{2i}/2;$

R_4i＝R₀+(2i-1)r+b₀/2+b₁+b₂+…+b_(2i-1)+b_2i/2；

L₀₂＝L_2n+R_2n+b_2n/2；R₀₂＝b_2n/2。

动涡旋盘和静涡旋盘形成的封闭面积及面积比为：

面积：

$A_1=\mathrm{\π}(R_{21}^2-R_{31}^2+R_{11}^2-\frac{b_0^2}{4});$

$A_1=\mathrm{\π}(R_{2i}^2-R_{3i}^2+R_{1i}^2-R_{4(i-1)}^2);$

面积比：

${\mathrm{\λ}}_i=\frac{A_i}{A_1};i=\mathrm{2,3}...n.$

若

R₀＝9.6，b0＝5，b1＝3，b2＝50，b3＝50，b4＝50，b5＝50，b6＝5，b7＝10，b8＝3，

则λ₂＝6.83，λ₃＝16.68，λ₄＝22.75，可见此型线将获得更大的面积比。

实施例三：

图8是本发明实施例三中II型等壁厚静涡旋盘型线；图9是本发明实施例三中II型等壁厚动涡旋盘型线；图10是本发明实施例三中II型等壁厚涡旋机械的工作原理图。

图8～图10提供一种II型等壁厚涡旋盘结构。

设涡旋盘壁厚为b，内壁最小半圆半径为R₀。动涡旋盘在静涡旋盘中的回转平动半径为r，则b/2＜r＜R₀-b/2。

内壁螺旋线满足以下方程式：

L₀₁＝R₀+b₀/2；R₀₁＝b₀/2；

L_1i＝0；R_1i＝R₀+2(i-1)(r+b)；

L_2i＝r+b；R_2i＝R₀+(2i-1)(r+b)。

外壁螺旋线满足以下方程式：

L_3i＝0；R_3i＝R₀+2(i-1)r+(2i-1)b；

L_4i＝r+b；R_4i＝R₀+(2i-1)r+2ib；

L₀₂＝R₀+2nr+(2n+0.5)b；R₀₂＝b/2。

动涡旋盘和静涡旋盘形成的封闭面积及面积比为：

面积：

$A_0=\mathrm{\π}(R_0^2-\frac{b^2}{4});$

$A_1=\mathrm{\π}(R_{21}^2-R_{31}^2+R_{11}^2-\frac{b^2}{4});$

$A_i=\mathrm{\π}(R_{2i}^2-R_{3i}^2-R_{4(i-1)}^2+R_{1i}^2);$

面积比：

${\mathrm{\λ}}_i=\frac{A_i}{A_1-A_0},i=\mathrm{2,3},...,n.$

若R₀＝12，r＝7，b＝2，则λ₂＝3.54，λ₃＝5.6，λ₄＝7.65。可见尽管存在不可排出面积A₀，此型线仍有较大的面积比。

实施例四：

图11是本发明实施例四中II型变壁厚静涡旋盘型线；图12是本发明实施例四中II型变壁厚动涡旋盘型线；图13是本发明实施例四中II型变壁厚涡旋机械的工作原理图。

图11～图13提供一种II型变壁厚涡旋盘结构。

设设涡旋盘壁厚分别为b₀，b₁，b₂，...，b_2n，内壁最小半圆的半径为R₀，动涡旋盘在静涡旋盘中回转平动半径为r，则b₀/2＜r＜R₀-b₀/2。

内壁螺旋线满足以下方程式：

L₀₁＝R₀+b₀/2；R₀₁＝b₀/2

L_1i＝[b₀-b_(2i-2)]/2；R₁₁＝R₀；

$R_{1i}=R_0+2(i-1)r+\frac{b_o}{2}+b_1+b_2+...+b_{(2i-3)}+b_{(2i-2)}/2;i\≠1;$

$L_{2i}=r+\frac{b_o}{2}+b_{(2i-1)}/2;R_{21}=R_0+r+\frac{b_o}{2}+b_1/2;$

$R_{2i}=R_0+(2i-1)r+\frac{b_o}{2}+b_1+b_2+...+b_{(2i-2)}+b_{(2i-1)}/2;i\≠1;$

外壁螺旋线满足以下方程式：

$L_{3i}=\frac{b_0}{2}+b_{(2i-1)}/2;R_{31}=R_0+\frac{b_o}{2}+b_1/2;$

R_3i＝R₀+2(i-1)r+b₀/2+b₁+b₂+…+b_(2i-2)+b_(2i-1)/2；i≠1；

$L_{4i}=r+\frac{b_o}{2}+b_{2i}/2;$

R_4i＝R₀+(2i-1)r+b₀/2+b₁+b₂+…+b_(2i-1)+b_2i/2；

L₀₂＝L_2n+R_2n+b_2n/2；

R₀₂＝b_2n/2。

动涡旋盘与静涡旋盘形成的封闭面积及面积比为：

面积：

$A_0=\mathrm{\π}(R_0^2-\frac{{b_o}^2}{4});$

$A_1=\mathrm{\π}(R_{21}^2-R_{31}^2+R_{11}^2-\frac{{b_o}^2}{4});$

$A_i=\mathrm{\π}(R_{2i}^2-R_{3i}^2-R_{4(i-1)}^2+R_{1i}^2);$

面积比：

${\mathrm{\λ}}_i=\frac{A_i}{A_1-A_0},i=\mathrm{1,2,3},...,n.$

若R₀＝9.6，b₀＝5，

b₁＝3，b₂＝50，b₃＝50，b₄＝50，b₅＝50，b₆＝5，b₇＝10，b₈＝3，则

λ₂＝5.6，λ₃＝13.3，λ₄＝18.1，可见尽管存在不可排出面积A₀，同样可获得更大的面积比。

本发明基于实施例一至四所述的结构，在静涡旋盘中均设置有一排气孔，排气孔为圆孔。实例一、二排气孔直径不大于动涡旋盘始端壁厚。实例三，四排气孔直径不大于静涡旋盘最小半圆直径。实例一、二可将气体排除干净，特别适用于压缩机械。实例三、四可开较大的排气孔，特别适用于做功机械。实例一至四均可获得比现有涡旋盘型线更高的压缩比或膨胀比。

综上所述，本发明的螺旋型线采用若干个半圆拼接而成，并在拼接处设置为相切。同时，使各半圆的半径与圆心距之间遵循一定的数学关系式，使得动涡旋盘在静涡旋盘内回转平动时，动涡旋盘每一圈螺旋型线的外壁始终能与静涡旋盘的内壁相切，从而实现气体的压缩，或气体膨胀做功。本发明的螺旋型线全部采用圆弧组成，设计简单，制造方便，机械性能大大提高，而且可以保证较高的加工精度，有效降低生产成本。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制其专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种涡旋盘结构，包括动涡旋盘和静涡旋盘，所述动涡旋盘和静涡旋盘具有相同的螺旋型线，其特征在于：所述螺旋型线由若干个上半圆和若干个下半圆组成，所述若干个上半圆和若干个下半圆的直径各不相同，相邻的上半圆与下半圆在连接处相切，上半圆满足以下方程式：

0°≤α≤180°；L₁₁＝0；

L_1i＝2(R₂₁+R₂₂+，...，+R_2(i-1))-2(R₁₁+R₁₂+，...，+R_1i)+R₁₁+R_1i，i≠1；

下半圆满足以下方程式：

180°≤α≤360°；

L_2i＝2(R₂₁+R₂₂+，...，+R_2i)-2(R₁₁+R₁₂+，...，+R_1i)+R₁₁-R_2i；

其中，R_1i为第i个上半圆的半径，R_2i为第i个下半圆的半径，L_1i为第i个上半圆与最小半圆的圆心距，L_2i为第i个下半圆与最小半圆的圆心距，i＝1，2，3，...，n，n为螺旋型线的圈数。

2.如权利要求1所述的涡旋盘结构，其特征在于：所述动涡旋盘和静涡旋盘为等壁厚，且动涡旋盘在静涡旋盘中的回转半径满足以下方程式：

r＝R₀-b/2 

其中，r为回转半径，R₀为所述最小半圆的半径，b为壁厚。

3.如权利要求1所述的涡旋盘结构，其特征在于：所述动涡旋盘和静涡旋盘为变壁厚，且动涡旋盘在静涡旋盘中的回转半径满足以下方程式：

r＝R₀-b₀/2 

其中，r为回转半径，R₀为所述最小半圆的半径，b₀为最小半圆始端的壁厚。

4.如权利要求1所述的涡旋盘结构，其特征在于：所述动涡旋盘和静涡旋盘为等壁厚，且动涡旋盘在静涡旋盘中的回转半径满足以下方程式：

b/2＜r＜R₀-b/2

其中，r为回转半径，R₀为所述最小半圆的半径，b为壁厚。

5.如权利要求1所述的涡旋盘结构，其特征在于：所述动涡旋盘和静涡旋盘为变壁厚，且动涡旋盘在静涡旋盘中的回转半径满足以下方程式：

b₀/2＜r＜R₀-b₀/2 

其中，r为回转半径，R₀为所述最小半圆的半径，b₀为最小半圆始端的壁厚。

6.如权利要求2所述的涡旋盘结构，其特征在于：所述螺旋型线包括内壁和外壁，所述内壁满足以下方程式：

R_1i＝(2i-1)R₀+(i-1)b；R_2i＝2iR₀+(i-0.5)b；

所述外壁满足以下方程式：

R_3i＝(2i-1)R₀+ib；R_4i＝2iR₀+(i+0.5)b；

其中，R_1i为组成内壁的上半圆的半径，R_2i为组成内壁的下半圆的半径，R_3i为组成外壁的上半圆的半径，R_4i为组成外壁的下半圆的半径，i＝1，2，3，...，n，n为螺旋型线的圈数。

7.如权利要求4所述的涡旋盘结构，其特征在于：所述螺旋型线包括内壁和外壁，所述内壁、外壁分别满足以下方程式：

R_1i＝R₀+2(i-1)(r+b)；R_2i＝R₀+2(i-1)(r+b)；

R_3i＝R₀+2(i-1)r+(2i-1)b；R_4i＝R₀+(2i-1)r+2ib；

其中，R_1i为组成内壁的上半圆的半径，R_2i为组成内壁的下半圆的半径，R_3i为组成外壁的上半圆的半径，R_4i为组成外壁的下半圆的半径，i＝1，2，3，...，n，n为螺旋型线的圈数。

8.如权利要求1～7中任一项所述的涡旋盘结构，其特征在于：所述静涡旋盘上设置有排气孔，所述排气孔的直径为不大于动涡旋盘始端的壁厚或静涡旋盘最小半圆的直径。