CN103047135B - 一种喷液涡旋压缩机的涡旋齿型线 - Google Patents

Abstract

一种喷液涡旋压缩机的涡旋齿型线，静涡旋齿和动涡旋齿的外侧型线均由1段变径基圆渐开线构成，其内侧型线均由中心处的变径基圆渐开线和外圈的变径基圆渐开线的法向等距曲线光滑连接构成；该涡旋齿是一种压缩腔变啮合间隙且涡旋齿壁厚逐渐变化的涡旋齿，所构成的压缩腔在靠近中心排气口的啮合点处存在啮合间隙，形成一条通向排气口方向的小间隙内泄漏卸压通道，防止较大喷液量时因液体不可压缩而产生压缩腔内压力骤增甚至液击问题；该涡旋齿所构成的吸气腔的啮合点是无啮合间隙的，保证吸气腔与压缩腔之间完全隔断；同时该涡旋齿壁厚从中心到外圈逐渐变薄，使得中心涡旋齿具有足够的强度，外圈涡旋齿壁厚较薄能够有效地提高涡旋盘面积利用率。

Description

一种喷液涡旋压缩机的涡旋齿型线

技术领域

本发明属于压缩机技术领域，特别涉及了一种喷液涡旋压缩机的涡旋齿型线。

背景技术

涡旋压缩机因其具有容积效率高、可靠性高和振动噪声小的显著优点而得到广泛应用，并逐步扩大其应用范围。涡旋压缩机的涡旋齿型线一直是其关键技术，能够构成涡旋齿的型线类型有：圆渐开线、线段渐开线、正多边形渐开线、阿基米德螺旋线、代数螺旋线、变径基圆渐开线和包络型线，所构成的涡旋齿有等壁厚涡旋齿和变壁厚涡旋齿。涡旋压缩机就是依靠两涡旋盘上的涡旋齿之间的啮合实现容积的周期性变化，完成气体的吸入、压缩和排出。现有的涡旋压缩机在工作中其涡旋齿的啮合是无间隙的，涡旋齿所构成的压缩腔是封闭的。

由于涡旋压缩机在气体压缩过程中难以实现外部冷却，为了降低排气温度和节省压缩功耗，常采用喷液涡旋压缩机，即在压缩机工作过程中向压缩腔内喷入适量的液体，以实现在压缩过程中对气体进行冷却，进而降低排气温度和节省压缩功耗。喷液涡旋压缩机近年来得到越来越多的应用和青睐，在单级高压缩比和特殊气体压缩的特定场合下，为进一步降低排气温度，需要向压缩腔内喷入较多的液体以实现对被压缩气体的充分冷却，在这种喷液量较多的使用场合下，涡旋压缩机的压缩腔内往往聚集较多的液体，在减小压缩腔容积对气体进行压缩时，因液体不可压缩容易在个别压缩腔内出现压力骤增甚至液击问题，严重影响喷液涡旋压缩机的安全可靠运行。

本发明提出一种变啮合间隙且渐变壁厚涡旋齿型线，适用于喷液量较大的喷液涡旋压缩机，该型线由变径基圆渐开线及其法向等距曲线组合而成，所构成的压缩腔与排气口之间存在啮合间隙，且压缩腔容积越小啮合间隙越大；因而所构成的压缩腔在通向排气口方向存在内泄漏卸压通道，当向压缩腔内喷入较多液体时，在压缩腔容积减小的压缩过程中，一部分液体通过啮合间隙被推到排气口，实现卸压，防止因液体不可压缩而在压缩腔内出现压力骤增甚至液击问题。同时所构成的吸气腔是无啮合间隙的，保证吸气腔与压缩腔之间完全隔断，压缩腔内的高压气体和所喷入的液体不会漏到吸气腔，防止发生外泄漏，不会降低容积效率。

同时本发明所提出的涡旋齿是渐变壁厚的，即中心涡旋齿壁厚较厚，从中心到外圈涡旋齿壁厚逐渐变薄，涡旋齿壁厚的变化规律符合中心工作腔内气体压力高，外圈工作腔内气体压力低的变化规律，涡旋齿在中心压力较高处具有足够的强度，增强其使用寿命；而在外圈压力较低处具有较薄的壁厚，增加了涡旋盘的面积利用率，在涡旋盘外形尺寸相同的条件下能够有效地提高涡旋压缩机的吸气量、增加压缩比，具有较高的综合性能。

所提出的涡旋齿进一步提高了喷液涡旋压缩机的性能，对于丰富涡旋齿型线类型和促进涡旋压缩机的发展具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种喷液涡旋压缩机的变啮合间隙且渐变壁厚涡旋齿型线，静涡旋齿和动涡旋齿型线相同，相错180°，其外侧型线均由1段变径基圆渐开线构成，其内侧型线均由中心处的变径基圆渐开线和外圈的变径基圆渐开线的法向等距曲线光滑连接构成。该涡旋齿所构成的压缩腔在靠近中心排气口的啮合点处存在啮合间隙，使得所构成的压缩腔在通向排气口方向存在一条小间隙内泄漏卸压通道，防止压缩过程中因而液体不可压缩而带来的压缩腔内压力骤增甚至液击问题。该涡旋齿型线所构成的吸气腔的啮合点是无啮合间隙的，保证吸气腔与压缩腔之间完全隔断，防止工作中压缩腔内的高压气体漏到吸气腔内，不会降低容积效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：根据涡旋压缩机涡旋齿型线的啮合原理，由变径基圆渐开线及其法向等距曲线作为外圈涡旋齿的内外侧型线，构成吸气腔，所构成的吸气腔的啮合点是无啮合间隙的；由变径基圆渐开线作为中心涡旋齿的内外侧型线，构成压缩腔，所构成的压缩腔在靠近中心排气口的啮合点处存在啮合间隙；确定变径基圆渐开线及其法向等距曲线的相对位置和型线方程，构成了变啮合间隙且渐变壁厚涡旋齿。

本发明的有益效果是：①所提出的变啮合间隙且渐变壁厚涡旋齿的内外侧型线共由3段曲线构成，型线简单，便于设计和制造。②该涡旋齿所构成的压缩腔在靠近中心排气口的啮合点处存在啮合间隙，构成一条通向排气口方向的小间隙内泄漏卸压通道，防止较大喷液量时因液体不可压缩而产生压缩腔内压力骤增甚至液击问题；同时该涡旋齿所构成的吸气腔不存在啮合间隙，保证吸气腔与压缩腔之间完全隔断，压缩腔内的高压气体不会漏入到吸气腔，不会降低容积效率；该涡旋齿适用于喷液压缩机，可以提高喷液量，使得所喷入的液体能够与气体充分混合，保证被压缩气体能够得到充分冷却，降低排气温度，节省压缩功耗。③该涡旋齿从中心到外圈其壁厚逐渐减小，涡旋齿壁厚的变化规律符合所构成的工作腔内气体压力的变化规律，使得中心涡旋齿具有足够的强度，增加其使用寿命，外圈齿厚较薄能够有效地提高涡旋盘面积利用率；该涡旋齿在涡旋盘外形尺寸相同的条件下能够有效地提高吸气量和压缩比，在吸气量相同的条件下，可减小涡旋盘外形尺寸，具有较高的综合性能。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1为所提出的静涡旋齿和动涡旋齿的型线图。

图2为所提出的动静涡旋齿的相对位置图。

图3为在不同工作时刻动静涡旋齿之间的啮合图。

图4为涡旋齿所构成的吸气腔和压缩腔的容积变化图。

图中：1-静涡旋齿外侧变径基圆渐开线；2-静涡旋齿内侧中心处变径基圆渐开线；3-静涡旋齿内侧外圈变径基圆渐开线的法向等距曲线；4-动涡旋齿外侧变径基圆渐开线；5-动涡旋齿内侧中心处变径基圆渐开线；6-动涡旋齿内侧外圈变径基圆渐开线的法向等距曲线；201-静涡旋齿；202-动涡旋齿；203-排气口。

具体实施方式

如图1所示，为所提出的变啮合间隙且渐变壁厚涡旋齿型线，(a)图为静涡旋齿，(b)图为动涡旋齿，静涡旋齿和动涡旋齿的型线完全相同，相错180°，静涡旋齿和动涡旋齿的外侧型线均由1段变径基圆渐开线构成，内侧型线均由2段曲线光滑连接构成，从中心到外圈分别为：变径基圆渐开线和变径基圆渐开线的法向等距曲线，每段曲线的方程如下：

曲线1，静涡旋外侧变径基圆渐开线ABC的方程为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1\left(t\right)=R[(1-2\mathrm{at})\cos \left(t\right)+(t-{\mathrm{at}}^2)\sin \left(t\right)]\\ y_1\left(t\right)=R[(1-2\mathrm{at})\sin \left(t\right)-(t-{\mathrm{at}}^2)\cos \left(t\right)]\end{array}\right.$

曲线2，静涡旋内侧中心处变径基圆渐开线DE的方程为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_2\left(t\right)=R[(1-2\mathrm{at})\cos (t+\mathrm{\α})+(t-{\mathrm{at}}^2)\sin (t+\mathrm{\α})]\\ y_2\left(t\right)=R[(1-2\mathrm{at})\sin (t+\mathrm{\α})-(t-{\mathrm{at}}^2)\cos (t+\mathrm{\α})]\end{array}\right.$

曲线3，静涡旋外圈变径基圆渐开线的法向等距曲线EF的方程为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_3\left(t\right)=R[(1-2\mathrm{at})\cos \left(t\right)+(t-{\mathrm{at}}^2+R_{\mathrm{or}})\sin \left(t\right)]\\ y_3\left(t\right)=R[(1-2\mathrm{at})\sin \left(t\right)-(t-{\mathrm{at}}^2+R_{\mathrm{or}})\cos \left(t\right)]\end{array}\right.$

曲线4，动涡旋外侧变径基圆渐开线GHI的方程为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_4\left(t\right)=R[(1-2\mathrm{at})\cos (t+\mathrm{\π})+(t-{\mathrm{at}}^2)\sin (t+\mathrm{\π})]\\ y_4\left(t\right)=R[(1-2\mathrm{at})\sin (t+\mathrm{\π})-(t-{\mathrm{at}}^2)\cos (t+\mathrm{\π})]\end{array}\right.$

曲线5，动涡旋内侧中心处变径基圆渐开线JK的方程为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_5\left(t\right)=R[(1-2\mathrm{at})\cos (t+\mathrm{\α}+\mathrm{\π})+(t-{\mathrm{at}}^2)\sin (t+\mathrm{\α}+\mathrm{\π})]\\ y_5\left(t\right)=R[(1-2\mathrm{at})\sin (t+\mathrm{\α}+\mathrm{\π})-(t-{\mathrm{at}}^2)\cos (t+\mathrm{\α}+\mathrm{\π})]\end{array}\right.$

曲线6，动涡旋外圈变径基圆渐开线的法向等距曲线KL的方程为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_6\left(t\right)=R[(1-2\mathrm{at})\cos (t+\mathrm{\π})+(t-{\mathrm{at}}^2+R_{\mathrm{or}})\sin (t+\mathrm{\π})]\\ y_6\left(t\right)=R[(1-2\mathrm{at})\sin (t+\mathrm{\π})-(t-{\mathrm{at}}^2+R_{\mathrm{or}})\cos (t+\mathrm{\π})]\end{array}\right.$

式中：t-为角度参数，rad；α-为角度，rad；R-为变径基圆渐开线的基圆，mm；a-为常数，mm；R_or-为主轴回转半径，mm。

如图2所示，为所提出的动静涡旋齿的相对位置，动静涡旋齿型线相同，相错180°，静涡旋齿和动涡旋齿的中心点相重合。在外圈处由动静涡旋齿的内外侧型线(变径基圆渐开线及其法向等距曲线)构成等间距环槽，环槽的法向距离为主轴偏心距；中心由动静涡旋齿的内外侧型线(变径基圆渐开线)构成变间距环槽，中心处的环槽间距最大；等间距环槽在工作中构成吸气腔的啮合点，能够实现无间隙啮合，使得吸气腔和压缩腔完全隔断；在变间距环槽所构成得压缩腔中，在靠近中心排气口的啮合点处存在啮合间隙，且越靠近中心，啮合间隙越大。

如图3所示，为所提出的涡旋齿在不同时刻动静涡旋齿之间的啮合，(a)～(f)图中相邻两图所对应的主轴转角相错60°，即(b)图相对于(a)图主轴逆时针旋转了60°，依次类推。该涡旋齿所构成的吸气腔无啮合间隙，吸气腔和压缩腔之间完全隔断；该涡旋齿所构成的压缩腔在靠近中心排气口的啮合点处存在啮合间隙，压缩腔在通向排气口方向存在一条内泄漏小间隙卸压通道，液体通过该通道向排气口进行内泄漏以实现液相压缩卸荷作用，防止在喷液量较大时因液体不可压缩而在压缩腔内出现压力骤增甚至液击问题。

如图4所示，为所提出的涡旋齿所构成的吸气腔和压缩腔的容积变化规律，(a)～(l)图中相邻两图所对应的主轴转角相错60°，即(b)图相对于(a)图主轴逆时针旋转60°，依次类推。(a)～(f)图为吸气腔容积，吸气过程中吸气容积逐渐增大，(f)为吸气结束时刻，各个啮合点实现无间隙啮合，吸气腔与压缩腔完全隔断，构成吸气腔内外侧涡旋齿型线为变径基圆渐开线及其法向等距曲线。(f)～(l)图为压缩腔容积，(f)为吸气结束时刻，也是压缩开始时刻，(l)为压缩结束时刻，(f)图的2个啮合点都不存在啮合间隙，从(g)图到(l)图随着压缩腔容积的逐渐减小，压缩腔内的气体压力逐渐升高，压缩腔在靠近中心排气口处的啮合点出现啮合间隙；啮合间隙随着压缩腔容积的减小而逐渐变大，防止压缩腔内因喷液较多而出现压力骤增甚至液击问题。压缩腔与吸气腔分隔的啮合点始终是无间隙啮合的，使得压缩腔与吸气腔完全隔断，防止压缩腔内的高压气体漏入到吸气腔而产生外泄漏。构成压缩腔有间隙啮合点内外侧涡旋齿型线都为变径基圆渐开线，构成吸气腔无间隙啮合点的内外侧涡旋齿型线分别为变径基圆渐开线的法向等距曲线和变径基圆渐开线。

Claims (1)

1.一种喷液涡旋压缩机的涡旋齿型线，静涡旋齿和动涡旋齿型线外侧型线均由1段变径基圆渐开线构成，其内侧型线均由中心处的变径基圆渐开线和外圈的变径基圆渐开线的法向等距曲线光滑连接构成；其特征是：该涡旋齿是一种压缩腔变啮合间隙且涡旋齿壁厚逐渐变化的涡旋齿；该涡旋齿所构成的压缩腔在靠近排气口的啮合点处存在啮合间隙，且压缩腔容积越小啮合间隙越大，使得压缩腔在通向排气口方向存在内泄漏小间隙卸压通道；该涡旋齿所构成的吸气腔的啮合点是无啮合间隙的，保证吸气腔与压缩腔之间完全隔断；该涡旋齿的壁厚是逐渐变化的，中心涡旋齿壁厚较厚，外圈涡旋齿壁厚较薄，从中心到外圈涡旋齿壁厚逐渐变薄；

静涡旋齿和动涡旋齿型线相同，相错180°，静涡旋齿和动涡旋齿的中心点相重合，在外圈处由动静涡旋齿的变径基圆渐开线及其法向等距曲线构成等间距的环槽，环槽的法向距离为主轴偏心距，中心由动静涡旋齿的变径基圆渐开线构成变间距环槽，中心处的环槽间距最大；

所述压缩腔在靠近中心排气口的啮合点处存在啮合间隙，构成一条通向排气口方向的小间隙内泄漏卸压通道，防止较大喷液量时因液体不可压缩而产生压缩腔内压力骤增甚至液击问题；同时该涡旋齿所构成的吸气腔不存在啮合间隙，保证吸气腔与压缩腔之间完全隔断，压缩腔内的高压气体不会漏入到吸气腔；

各型线方程如下：

曲线1，静涡旋外侧变径基圆渐开线ABC的方程为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1\left(t\right)=R\[(1-2at)cos\left(t\right)+(t-a{t}^2)sin\left(t\right)\]\\ y_1\left(t\right)=R\[(1-2at)sin\left(t\right)-(t-a{t}^2)cos\left(t\right)\]\end{array}\right.$

曲线2，静涡旋内侧中心处变径基圆渐开线DE的方程为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_2\left(t\right)=R\[(1-2at)cos(t+\mathrm{\α})+(t-a{t}^2)sin(t+\mathrm{\α})\]\\ y_2\left(t\right)=R\[(1-2at)sin(t+\mathrm{\α})-(t-a{t}^2)cos(t+\mathrm{\α})\]\end{array}\right.$

曲线3，静涡旋外圈变径基圆渐开线的法向等距曲线EF的方程为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_3\left(t\right)=R\[(1-2at)cos\left(t\right)+(t-a{t}^2+R_{or})sin\left(t\right)\]\\ y_3\left(t\right)=R\[(1-2at)sin\left(t\right)-(t-a{t}^2+R_{or})cos\left(t\right)\]\end{array}\right.$

曲线4，动涡旋外侧变径基圆渐开线GHI的方程为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_4\left(t\right)=R\[(1-2at)cos(t+\mathrm{\π})+(t-a{t}^2)sin(t+\mathrm{\π})\]\\ y_4\left(t\right)=R\[(1-2at)sin(t+\mathrm{\π})-(t-a{t}^2)cos(t+\mathrm{\π})\]\end{array}\right.$

曲线5，动涡旋内侧中心处变径基圆渐开线JK的方程为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_5\left(t\right)=R\[(1-2at)cos(t+\mathrm{\α}+\mathrm{\π})+(t-a{t}^2)sin(t+\mathrm{\α}+\mathrm{\π})\]\\ y_5\left(t\right)=R\[(1-2at)sin(t+\mathrm{\α}+\mathrm{\π})-(t-a{t}^2)cos(t+\mathrm{\α}+\mathrm{\π})\]\end{array}\right.$

曲线6，动涡旋外圈变径基圆渐开线的法向等距曲线KL的方程为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_6\left(t\right)=R\[(1-2at)cos(t+\mathrm{\π})+(t-a{t}^2+R_{or})sin(t+\mathrm{\π})\]\\ y_6\left(t\right)=R\[(1-2at)sin(t+\mathrm{\π})-(t-a{t}^2+R_{or})cos(t+\mathrm{\π})\]\end{array}\right.$

式中：t-为角度参数，rad；α-为角度，rad；R-变径基圆渐开线的基圆，mm；a-常数，mm；R_or-主轴回转半径，mm。