CN104662298B - 螺杆式流体机械 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于实现啮合密封线长度的减小和气孔面积的进一步减小。压缩侧气孔(B2)产生于由阳转子侧气孔轮廓(R1)、阴转子侧气孔轮廓(R2)及下部尖顶线(k2)所包围的区域。通过由包含至少两个圆弧(C1、C2)的曲线构成阴转子侧气孔轮廓(R3)，能够减小压缩侧气孔(B2)面积。在各圆弧之间的连接点处，通过使各连接点的两侧圆弧切线为相同斜度，能够平滑地连接各圆弧。

Description

螺杆式流体机械
技术领域
本发明涉及具备螺杆转子的压缩机、鼓风机及膨胀机等螺杆式流体机械。
背景技术
在一对阴阳转子啮合而压缩气体的螺杆压缩机等中，性能下降的代表性主要原因是内部泄漏。内部泄漏是指压缩气体从形成在阴阳转子之间的压缩室向更低压的压缩室倒流的现象。由于因内部泄漏妨碍气体的吸入，同时产生因泄漏气体的再压缩造成的动力损失，因此螺杆压缩机等的性能下降。然而，在螺杆压缩机等中，在阴阳转子间形成连续的接触点。该连续的接触点称为啮合密封线。啮合密封线具有密封压缩气体的作用，从减少气体的内部泄漏量的观点考虑，其长度优选为短。因此，作为内部泄漏的对策，尝试使形成在阴阳转子之间的啮合密封线的长度尽可能短，抑制从啮合密封线泄漏气体。
另外，作为第二个问题，存在气孔的问题。在阴转子在节圆的外侧具有齿顶且阳转子在节圆的内侧具有齿根的螺杆转子中形成有气孔。该气孔形成在阴阳转子与在壳体内形成的孔相交的尖顶线(カスプ線)之间，从这里发生气体泄漏。使用图8对气孔的形成进行说明。图8是表示垂直于轴的截面的图，在螺杆压缩机的壳体100的内部形成的壳体孔b中，设置有阳转子102及阴转子104。阳转子102以旋转中心OM为中心，阴转子104以旋转中心OF为中心，分别向箭头方向旋转。图中，PM表示阳转子102的节圆，PF表示阴转子104的节圆。
壳体孔b的内壁也与阴阳转子接触，具有压缩室的气体密封作用。下面，将壳体孔b的内壁与垂直于轴的截面的相交线称为顶端密封线c。形成在阳转子102及阴转子104之间的啮合密封线s与形成在转子外周部的顶端密封线c不连接且不连续。将该不连续的部分称为气孔，如文字所述成为漏气部。气孔形成于吸入侧气孔B1和压缩侧气孔B2这两个位置上。吸入侧气孔B1形成于上部尖点Pk1与啮合密封线s之间，压缩侧气孔B2形成于啮合密封线s的气孔侧最近点Ps与位于阴阳转子啮合开始侧的下部尖点Pk2之间。从螺杆压缩机性能的观点考虑，成为问题的是压缩侧气孔B2。
图9表示压缩侧气孔B2的形状。压缩侧气孔B2形成于下部尖顶线k2、阳转子侧气孔轮廓R1、阴转子侧气孔轮廓R2之间，其中，所述阳转子侧气孔轮廓R1由阳转子102的齿面与包含气孔侧最近点Ps及下部尖顶线k2的气孔平面的相交线形成；所述阴转子侧气孔轮廓R2由阴转子104的齿面与该气孔平面的相交线形成。通常，以用该气孔平面剖切时的切口面积作为压缩侧气孔B2的代表面积。本说明书也遵循于此。图9是从图8中的A箭头方向观察的图，是将所述气孔平面投影到包含图8中y轴的平面上的图。图10表示从A箭头方向观察的啮合密封线s的形状。图中，ΔLs表示一齿份的啮合密封线s。
本申请人首先提出了能够减小气孔面积的螺杆转子的结构(专利文献1)。该发明将从阴转子的齿顶顶部中心到相对于旋转方向的前进侧的节圆为止的垂直于轴的截面形状用三个以上的圆弧来形成，由此减小气孔面积。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3356468号公报
发明内容
(一)要解决的技术问题
但是，通常在装配有螺杆转子的流体机械中，啮合密封线的长度与气孔的面积呈相反的关系。即，如果使啮合密封线变短，则气孔面积增加。因此，难以同时实现减小啮合密封线的长度和减小气孔面积。由于专利文献1所公开的内部泄漏抑制手段主要是减小气孔面积，因此有必要一起考虑包括缩短啮合密封线的长度的抑制内部泄漏的手段。
本发明的目的在于，鉴于上述现有技术的问题，实现减小啮合密封线的长度和进一步减小气孔面积。
(二)技术方案
本发明适用于具备如下螺杆转子的螺杆式流体机械，所述螺杆转子由彼此啮合并旋转的阳转子与阴转子构成，在阴转子在节圆的外侧具有齿顶的同时，阳转子在节圆的内侧具有齿根，且气孔的形成成为问题。为了实现上述目的，本发明的螺杆式流体机械为，在阴阳转子及在壳体上形成的尖顶线之间所形成的气孔轮廓中，在从啮合密封线的气孔侧最近点到尖顶线之间，由阴转子形成的阴转子侧气孔轮廓由多个轮廓要素构成，多个轮廓要素包含至少两个圆弧。
在本发明中，阴阳转子的齿形在形成于阳转子与阴转子之间的啮合密封线成为设定值以下的条件下进行设定。例如，阴阳转子的齿形被设定为使啮合密封线在设计上尽可能变短。压缩侧气孔形成于阴阳转子及下部尖顶线之间。在本发明中，压缩侧气孔的轮廓中，使在从啮合密封线的气孔侧最近点到尖顶线之间由阴转子形成的阴转子侧气孔轮廓由包含至少两个圆弧的轮廓构成。通过在阴转子侧气孔的轮廓上包含至少两个圆弧，能够减小气孔面积。阴转子的齿形根据变换由阴转子形成的气孔轮廓来求取，阳转子的齿形对应于阴转子的齿形来创建。另外，得到的阴转子齿形的曲率中心位于节圆的内侧成为创建理论上的必要条件。
专利文献1所述的气孔面积减小手段是对能够减小气孔面积的阴转子齿形的形状试错中发现的。与此相对，本发明先找到能够减小气孔面积的阴转子侧气孔轮廓，根据该轮廓来决定阴转子的齿形。因此，不用对能够减小气孔面积的阴转子的齿形进行试错就能够选定。另外，由于事先以使啮合密封线在设计上尽可能短的方式选定阴阳转子的齿形，因此能够同时实现啮合密封线长度的缩短和气孔面积的减小。
在本发明中，具体可以为，阴转子侧气孔的轮廓由第一圆弧、第二圆弧及轮廓要素构成，其中，所述第一圆弧与啮合密封线的气孔侧最近点连接，所述第二圆弧与该第一圆弧相连，所述轮廓要素由在第二圆弧的结束端与尖顶线间延伸的曲线构成。由此，可以形成能够减小气孔面积的轮廓。
在上述结构中，连结第二圆弧的结束端与尖顶线的曲线可以由与第二圆弧的结束端相连的第三圆弧和在第三圆弧的结束端与尖顶线之间延伸的第四圆弧构成。这样，通过由四个不同的圆弧来构成阴转子侧气孔轮廓，可以形成能够减小压缩侧气孔面积的轮廓。
或者，在第二圆弧的结束端与尖顶线之间延伸的曲线也可以由与第二圆弧的结束端相连的第一抛物线和连结该第一抛物线的结束端与尖顶线的第二抛物线构成。由此，也可以形成能够减小压缩侧气孔面积的轮廓。
或者，在第二圆弧的结束端与尖顶线之间延伸的曲线也可以由一个三次曲线构成。由此，也可以形成能够减小压缩侧气孔面积的轮廓。
在本发明中，也可以构成为在由圆弧、抛物线或三次曲线构成的轮廓要素间的连接点上，在该连接点的两侧的轮廓要素的切线具有相同斜度。由此，在减小气孔面积的同时，不同曲线彼此之间能够平滑地连接。
(三)有益效果
根据本发明，能够同时实现啮合密封线长度的缩短和气孔面积的进一步减小，并能够有效抑制螺杆式流体机械的内部泄漏。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的压缩侧气孔形状的线图。
图2是表示基于图1的压缩侧气孔形状制作的阴转子齿形的一部分的线图。
图3是表示对应于图2的阴转子齿形而创建的阳转子齿形的一部分的线图。
图4是表示本发明的第二实施方式的气孔形状的线图。
图5是表示本发明的第三实施方式的气孔形状的线图。
图6是表示用于本发明实施的螺杆转子的规格的图表(表1)。
图7是表示使用具有图6(表1)规格的螺杆转子来实施本发明的结果的图表(表2)。
图8是表示螺杆转子的垂直于轴的截面形状的说明图。
图9是表示现有的螺杆转子的气孔形状的线图。
图10是表示螺杆转子的啮合密封线的线图。
具体实施方式
下面，使用图示的实施方式对本发明进行详细说明。但是，只要该实施方式所记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等没有特别特定的记载，就不表示本发明的范围只限定于这些。
(实施方式1)
基于图1～图3对本发明的第一实施方式进行说明。本实施方式为适用于螺杆压缩机所使用的，由齿数为四齿的阳转子和齿数为六齿的阴转子构成的螺杆转子的例子。在本实施方式中，首先，针对螺杆压缩机的规格，将形成于阴阳转子之间的啮合密封线s的长度设定为尽可能缩短的长度。基于这样设定的啮合密封线s，设定压缩侧气孔B2的面积。
图1示意性地表示压缩侧气孔B2的形状。压缩侧气孔B2形成于下部尖顶线k2、由阳转子形成的阳转子侧气孔轮廓R1与由阴转子形成的阴转子侧气孔轮廓R3之间。阴转子侧气孔轮廓R3为本实施方式中设定的气孔轮廓，阴转子侧气孔轮廓R2为专利文献1中提出的通过阴转子齿形所形成的气孔轮廓。图中，点D为下部尖顶线k2与阳转子侧气孔轮廓R1的交点，点P4为下部尖顶线k2与阴转子侧气孔轮廓R2及R3的交点。
阴转子侧气孔轮廓R3由四个圆弧C1(Ps、P1之间)、C2(P1、P2之间)、C3(P2、P3之间)及C4(P3、P4之间)形成。圆弧C1的起始端为啮合密封线s的气孔侧最近点Ps，在圆弧C1的结束端上连接有圆弧C2的起始端。此外，在圆弧C2的结束端上连接有圆弧C3的起始端，在圆弧C3的结束端上连接有圆弧C4的起始端。圆弧C4的结束端与下部尖顶线k2在交点P4处连接。
圆弧C1的中心为O1，曲率半径为r1。圆弧C2的中心为O2，曲率半径为r2。圆弧C3的中心为O3，曲率半径为r3。圆弧C4的中心为O4，曲率半径为r4。在各圆弧的连接点上，连接点两侧的圆弧的切线具有相同斜度，两条切线重合。由此，在各圆弧的连接点上，两侧的圆弧被平滑地连接。另外，曲率半径r1及r4被设定为大幅大于曲率半径r2及r3。由此，易于形成使压缩侧气孔B2面积减小的气孔轮廓。
如图1所示，可知由本实施方式的阴转子侧气孔轮廓R3形成的压缩侧气孔B2面积比由阴转子侧气孔轮廓R2形成的压缩侧气孔面积明显减小。此外，阴转子侧气孔轮廓R2及R3的两端在气孔侧最近点Ps及交点P4处一致，并且在气孔侧最近点Ps及连接点P4处的两轮廓切线的倾斜度相同。由此，在使密封线的长度及气孔面积均为最小限的同时，能够将气孔侧最近点Ps及交点P4处的齿形平滑地连接。通过在这些点使齿形平滑，能够消除应力集中和与阳转子的啮合不良，同时能够防止在齿面上产生点蚀等疲劳破坏。
另外，阴转子的齿形是变换阴转子侧气孔轮廓R3来求取的。此外，阳转子的齿形是对应于阴转子的齿形来创建的。将这样求得的垂直于轴的截面上的阴转子齿形的一部分示于图2，将阳转子齿形的一部分示于图3。在图2中，曲线TF为本实施方式的阴转子齿形的一部分，曲线tf为专利文献1所提出的阴转子齿形的一部分。在图3中，曲线TM为本实施方式的阳转子齿形的一部分，曲线tm为专利文献1所提出的阳转子齿形的一部分。
在图2中，曲线TF比曲线tf向阳转子侧凸出，此外，在图3中，曲线TM比曲线tm向远离阴转子的方向凹陷。另外，在得到的阴转子齿形中包含圆弧的情况下，该圆弧的曲率中心位于节圆的内侧是创建理论上的必要条件。
根据本实施方式，首先，找到能够减小压缩侧气孔B2面积的阴转子侧气孔轮廓R3，根据该阴转子侧气孔轮廓R3来决定阴转子的齿形。因此，不用对能够减小压缩侧气孔面积B2的阴转子齿形试错就能够进行选定，同时能够比专利文献1进一步减小压缩侧气孔B2的面积。此外，由于与啮合密封线s的气孔侧最近点Ps连接的圆弧C1的曲率半径r1以及与交点P4连接的圆弧C4的曲率半径r4设定为大幅大于其它圆弧的曲率半径r2及r3，因此易于形成减小压缩侧气孔B2面积的阴转子侧气孔轮廓。
(实施方式2)
然后，使用图4对本发明的第二实施方式进行说明。本实施方式也是适用于与第一实施方式相同规格的螺杆压缩机的例子。在图4中，本实施方式的阴转子侧气孔轮廓R4由两个圆弧C1(Ps、P1之间)及C2(P1、P2之间)、两个抛物线C5(P2、P3之间)及C6(P3、P4之间)构成。圆弧C1是与第一实施方式的圆弧C1相同的圆弧，圆弧C2是与第一实施方式的圆弧C2相同的圆弧。抛物线C5的起始端与圆弧C2的结束端连接，抛物线C6的起始端与抛物线C5的结束端连接，抛物线C6的结束端与交点P4连接。另外，交点D及交点P4与第一实施方式的交点D及交点P4处于同一位置。
本实施方式的阴转子侧气孔轮廓R4是将第一实施方式的圆弧C3及C4替换为抛物线C5及C6而得的。与第一实施方式同样地，在各圆弧及各抛物线的连接点处，连接点两侧的圆弧的切线具有相同斜度，两条切线重合。这样，通过由两个圆弧C1(Ps、P1之间)、C2(P1、P2之间)、两个抛物线C5(P2、P3之间)及C6(P3、P4之间)构成阴转子侧轮廓R4，能够减小压缩侧气孔B2面积。另外，在圆弧C1、C2及抛物线C5、C6的连接点处，由于连接点两侧的圆弧的切线具有相同斜度，因此不同曲线间能够平滑地连接。
(实施方式3)
然后，使用图5对本发明的第三实施方式进行说明。本实施方式也是适用于装配在与第一实施方式相同规格的螺杆压缩机中的螺杆转子的例子。在图5中，本实施方式的阴转子侧气孔轮廓R5由两个圆弧C1(Ps、P1之间)及C2(P1、P2之间)和一个三次曲线C7(P2、P4之间)构成。圆弧C1是与第一实施方式的圆弧C1相同的圆弧，圆弧C2是与第一实施方式的圆弧C2相同的圆弧。三次曲线C7的起始端与圆弧C2的结束端连接，三次曲线C7的结束端与和下部尖顶线k2的交点P4连接。
本实施方式的阴转子侧气孔轮廓R5是将第一实施方式的圆弧C3及C4替换为三次曲线C7而得的。与第一实施方式同样地，在各圆弧及各抛物线的连接点处，连接点两侧的圆弧的切线具有相同斜度，两条切线重叠。其它结构与第一实施方式相同。由图5可知，根据本实施方式，也能够减小压缩侧气孔B2面积，同时在圆弧C1、C2及三次曲线C7的连接点处，由于连接点两侧的圆弧的切线具有相同斜度，因此不同曲线间能够平滑地连接。
实施例
然后，以上述第一至第三实施方式的规格实际设计螺杆转子，对所设计的螺杆转子的啮合密封线s的长度及压缩侧气孔B2面积的测量结果进行说明。图6的表1表示所设计的螺杆转子的规格。图7的表2表示以表1的规格制作的螺杆转子的啮合密封线长度及气孔面积。表2中的“现有型(现有技术)”表示专利文献1所提出的螺杆转子。由表2可知，本发明的螺杆转子与现有型相比能够进一步缩短啮合密封线长度，使气孔面积与现有型相比减小大约25％。
工业实用性
根据本发明，在适用于螺杆压缩机等旋转机械的螺杆转子中，与以往相比，能够减小啮合密封线的长度和气孔面积，由此，能够抑制内部泄漏，进一步提高性能。

Claims (4)

1.一种螺杆式流体机械，具备壳体和螺杆转子，所述壳体具有规定尖顶线的孔；所述螺杆转子配置在所述孔中，由相互啮合并旋转的一对阴阳转子构成，阴转子在节圆外侧具有齿顶，同时阳转子在节圆内侧具有齿根，其特征在于，
所述阳转子、所述阴转子及所述尖顶线之间形成的气孔轮廓，具有在从啮合密封线的气孔侧最近点到所述尖顶线之间，由所述阴转子的齿面与包含所述气孔侧最近点及所述尖顶线的气孔平面的相交线形成的阴转子侧气孔轮廓；
所述阴转子具有所述阴转子侧气孔轮廓可获得的阴转子齿形，
所述阴转子侧气孔轮廓由包含第一圆弧、第二圆弧以及曲线的多个轮廓要素构成，其中，
所述第一圆弧将所述啮合密封线的气孔侧最近点作为起始端；
所述第二圆弧与该第一圆弧的结束端相连；
所述曲线在所述第二圆弧的结束端与所述尖顶线之间延伸，
所述曲线由与所述第二圆弧的结束端相连的第三圆弧及在该第三圆弧的结束端与尖顶线之间延伸的第四圆弧构成，
且所述第一圆弧和所述第四圆弧的曲率半径被设定为大幅大于所述第二圆弧和所述第三圆弧的曲率半径。
2.一种螺杆式流体机械，具备壳体和螺杆转子，所述壳体具有规定尖顶线的孔；所述螺杆转子配置在所述孔中，由相互啮合并旋转的一对阴阳转子构成，阴转子在节圆外侧具有齿顶，同时阳转子在节圆内侧具有齿根，其特征在于，
所述阳转子、所述阴转子及所述尖顶线之间形成的气孔轮廓，具有在从啮合密封线的气孔侧最近点到所述尖顶线之间，由所述阴转子的齿面与包含所述气孔侧最近点及所述尖顶线的气孔平面的相交线形成的阴转子侧气孔轮廓；
所述阴转子具有所述阴转子侧气孔轮廓可获得的阴转子齿形，
所述阴转子侧气孔轮廓由包含第一圆弧、第二圆弧以及曲线的多个轮廓要素构成，其中，
所述第一圆弧将所述啮合密封线的气孔侧最近点作为起始端；
所述第二圆弧与该第一圆弧的结束端相连；
所述曲线在所述第二圆弧的结束端与所述尖顶线之间延伸，
所述曲线由与所述第二圆弧的结束端相连的第一抛物线及在该第一抛物线的结束端与所述尖顶线之间延伸的第二抛物线构成，
且所述第一圆弧的曲率半径被设定为大幅大于所述第二圆弧的曲率半径。
3.一种螺杆式流体机械，具备壳体和螺杆转子，所述壳体具有规定尖顶线的孔；所述螺杆转子配置在所述孔中，由相互啮合并旋转的一对阴阳转子构成，阴转子在节圆外侧具有齿顶，同时阳转子在节圆内侧具有齿根，其特征在于，
所述阳转子、所述阴转子及所述尖顶线之间形成的气孔轮廓，具有在从啮合密封线的气孔侧最近点到所述尖顶线之间，由所述阴转子的齿面与包含所述气孔侧最近点及所述尖顶线的气孔平面的相交线形成的阴转子侧气孔轮廓；
所述阴转子具有所述阴转子侧气孔轮廓可获得的阴转子齿形，
所述阴转子侧气孔轮廓由包含第一圆弧、第二圆弧以及曲线的多个轮廓要素构成，其中，
所述第一圆弧将所述啮合密封线的气孔侧最近点作为起始端；
所述第二圆弧与该第一圆弧的结束端相连；
所述曲线在所述第二圆弧的结束端与所述尖顶线之间延伸，
所述曲线由一个三次曲线构成，
且所述第一圆弧的曲率半径被设定为大幅大于所述第二圆弧的曲率半径。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的螺杆式流体机械，其特征在于，在所述轮廓要素之间的连接点处，该连接点的两侧的轮廓要素的切线具有相同斜度。
CN201380050267.5A 2012-09-26 2013-09-17 螺杆式流体机械 Active CN104662298B (zh)

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