CN106481564A - 带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械 - Google Patents

Abstract

一种带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，减少一次性气流和压力脉动以及由此激发的二次性噪音和振动危害，提高系统气动效率而且不需要变内压缩比设置和/或串接脉动衰减器。带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，包括至少一气缸，上有气流进口、气流排气口和两者间的气流传送腔或压缩腔；安装在气缸和压缩腔内的由外力驱动改变压缩腔容积的转子，通过周期运动推动气流从进口到排气口的增压和流动；旁支脉动陷阱，包括与气缸并联的机壳形成脉动陷阱腔，脉动陷阱腔内至少有一个气流脉动衰减设置，在脉动陷阱腔上至少有一个陷阱进口连接压缩腔，在脉动陷阱腔上至少有一个陷阱出口连接容积式气/汽体机械的气流排气口。

Description

带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械

相关交叉引用专利申请

本专利申请是以下美国和中国专利申请的继续：于2014年5月23日提交的美国非临时专利申请14/285,678(涡旋式，中国申请号或专利号：201510226596.1)，于2012年9月15日提交的美国非临时专利申请13/621,202(内燃机，中国申请号或专利号：201210344360.4)，于2012年2月24日提交的美国非临时专利申请13/404,022(容积式，中国申请号或专利号：201210047941.1)、于2011年12月29日提交的美国非临时专利申请13/340,592(螺杆式，中国申请号或专利号：201110449760.7)及于2011年6月7日提交的美国非临时美国专利13/155,123。所有这些在此引入本文，作为参考其全部而且出于所有目的。

技术领域

本发明通常与各种容积式流体机械领域相关，细属于容积式气/汽体机械的旁支脉动陷阱，具有减少一次性气/汽流和压力脉动以及由此激发的二次性噪音和振动危害，提高变工况气/汽动效率而不需要串接气/汽流脉动衰减器(也称消音器)和/或使用变内压缩比设置的特点。

背景技术

如图1a所示，容积式气/汽体机械通常分为容积式压缩机和容积式膨胀机两大类，其中压缩机将轴功转换为气/汽体内能，反之膨胀机则将气/汽体内能转换为轴功，两者均具有高压比增压或高压比膨胀能力，适用于宽广的流域和不同的介质(如不同气体或汽体或汽液两相)，被广泛地应用于各种各样的工业或民用应用，如给天然气管道增压，将其从生产基地输送到千里以外的千家万户，或用于各种石油化工流程的驱动和工厂车间内压缩空气的气源。另外，容积式压缩机和膨胀机还是空调制冷循环中的心脏，用于工业化制冷或每家每户的空调和冰箱内。尽管下面的有关图示和描述采用的是针对空气的容积式压缩机来展示本发明的具体实现方案，其原理和精神也可以用于不同汽体(如蒸汽或空调制冷介质)或其它真实气体或气液态两相流。此原理也适用于容积式膨胀机，不同之处在于膨胀机使用压差来产生轴功。

容积式压缩机将轴功率转换为被压缩介质(广义上包括不同的气体或汽体)的内能。它的工作原理是依靠工作腔容积的缩小来增加气体压力。如图1a所示，按工作腔和运动部件形状，容积式压缩机又可分为“往复式”和“回转式”两大类。前者的运动部件进行往复运动，后者的运动部件做单方向回转运动，如螺杆压缩机、涡旋压缩机、滑片压缩机、罗茨式或回转活塞式等。尽管容积式压缩机种类繁多优缺点各异，但都含有一个进气口，一个容积可变化(变化程度从0到任何设计的容积比)的工作腔(压缩腔)和一个可控制排气时机的排气口。此外，其压缩过程都是循环性的，且步骤和顺序都相同，即可抽象成如下通用原理图：进气→传递和压缩→排气→消音降噪，其流程如图2a所示，而图2b-2e进一步展示了不同类型的传统容积式压缩机(分别是罗茨式、螺杆式、涡旋式和往复活塞式)压缩循环的通用原理图。用传统往复活塞式为例，当活塞在气缸内向下运动时，气缸内的工作容积逐渐增大，这时气体从进气口推开进气阀门进入气缸，直到工作容积变到最大时为止，进气阀关闭；然后活塞反向向上运动，气缸容积缩小，气体压力升高，当气缸压力达到一定的设计值时，排气阀门打开，这时活塞继续运动，气体从排气口排出气缸，进入串接的消音器或脉动衰减器，再向下游输送。

因为容积式压缩机的机理是将原本连续的气流分成一个个与压缩机工作腔大小相同的不连续的流体团，再将其压缩并在排气后重新汇合到一起，故气流或压力脉动为容积式压缩机的固有属性，其频率为单位时间内压缩腔的排气次数，而脉动大小则与排气时压缩腔内与压缩机排气口处(也称系统背压)的压力差相关。通常将排气时压缩腔的压力大于排气口压力的工况叫过压缩，而将排气时压缩腔的压力小于排气口压力的工况叫欠压缩，如图1b的P-V图展示。对于有定压缩比的压缩机，当系统所需压力(背压)变化时，都会有过压缩或欠压缩的情形出现，而过压缩或欠压缩的大小程度是产生气流或压力脉动的直接原因(源头)。大的压力脉动和气流脉动会使下游的系统零部件产生疲劳破坏，并诱发很大的振动和噪音(可达140-200dB)。作为特例，罗茨型鼓风机由于没有内压缩，总是处于欠压缩状态，其欠压缩大小程度等于进排气的压差，所以罗茨风机的严重气体脉动是由其原理所决定而天生存在的。

为了控制容积式压缩机排气口气流和压力脉动，通常的办法是在压缩机排气口串接一个消音器或脉动衰减器，这些消音器或脉动衰减器以抗式为主，内有空腔、隔板和多孔管等。其降噪和减小气流脉动的效果一般很显著，可达10-20分贝以上，但缺点是在消音器内有流动压力损失(图4f上阴影部分表

示)，造成系统气动效率下降，损失大小与脉动衰减大小成正比，另外，衰减大的消音器通常体积较大，其板焊结构和额外的表面积也使其会产生很大的振动并辐射其它频率的噪音，即二次性振动和噪音，并且其内部结构受气流脉动力的作用，会产生疲劳破坏并潜在地影响下游系统零件的寿命。

针对上述问题，已经有不同的技术试图取代通常在出口串接消音器或脉动衰减器的做法。比如，针对罗茨型鼓风机，美国专利4,215,977(发明人Weatherston)，提出逆流降低压力脉动；针对螺杆压缩机，美国专利5,051,077(发明人Yanagisawa)和5,370,512(发明人Fujitani)，提出改变出气口几何形状以致出口逐渐打开来降低压力脉动。然而，这两种方法的效果都是有限的：一般只有5-8dB(图4g中中间试验曲线所示),在压缩机出口仍需要串接消音器或脉动衰减器，没能从根本上取代串接消音器。究其原因，可能是对气流脉动机理认识的局限性。所以，美国专利9,140,260、9,140,261(容积式，中国申请号或专利号：201210047941.1)、9,151,292(螺杆式，中国申请号或专利号：201110449760.7)、9,243,557(内燃机，中国申请号或专利号：201210344360.4)及美国专利申请14/285,678(涡旋式，中国申请号或专利号：201510226596.1)，从激波管气流压力脉动机理入手(见图3a-3b，激波管原理图)，提出了气流脉动问题的主要起因类似激波管原理，是容积式压缩机在非设计工况下欠压缩或过压缩之压差突然释放所引发的脉动流体和强波的相互及共同作用的新观点。图3c-3f展示了传统容积式压缩机(分别是罗茨式、螺杆式、涡旋式和往复活塞式)在欠压缩或过压缩时，排气口突然打开后所激发的压缩波(同心密圆弧标注)及脉动流和膨胀波(同心疏圆弧标注)向压缩腔和排气管道传播的新机理图，并在此基础上提出了取代通常在排气口串接消音器或脉动衰减器的新方法-在压缩腔旁并接脉动衰减设置，及本发明所称的旁支脉动陷阱方法，其通用原理图如图4a所展示，而图4b-4e则展示了旁支脉动陷阱方法分别应用于罗茨式、螺杆式、涡旋式和往复活塞式的最佳方案，图4g展示其在罗茨风机上应用的试验结果，表明旁支脉动陷阱方法可以在源头减少气流和压力脉动，其效果与传统的串接脉动衰减器(消音器)一样显著(10倍以上的压力脉动衰减，等同20dB以上的压力脉动的衰减)，但变工况系统气动效率比传统的串接脉动衰减器更好(耗功为图4f中去除阴影部分)，同时又减小了系统的体积和重量。但以上试验的旁支脉动陷阱有一个负面效果，旁支脉动陷阱内使用的板式多孔衰减设置会激发多孔板的振动而引发“击鼓效应”，即多孔板产生二次性振动和噪音，从而不能全面的体现旁支脉动陷阱方法的潜在优势。

发明内容

为了解决以上多孔板式气流脉动衰减设置所引发的“击鼓效应”问题，本发明提出了多孔管式气流脉动衰减设置。图5a展示了新设置的最佳实施图，这样不仅可以在源头减少气流和压力脉动以及由此激发的二次性噪音和振动危害，而且不需要串接脉动衰减器(消音器)，并使得系统气动效率和安全可靠性更好，同时又减小了系统的体积。

因此，本发明的第一个目的是提供一种崭新和独特的容积式气/汽体机械旁支脉动陷阱的设计与结构，它与压缩腔并联，不仅可以在源头减少一次性气流和压力脉动，而且可以在出口排气前减小由气流和压力脉动诱发的二次性噪音和振动。

本发明的另一个目的是提供一种崭新和独特的容积式气/汽体机械旁支脉动陷阱的设计与结构，它与压缩腔并联，取代传统串接消音器，同时消除了串接所伴随的背压损失，从而节能并提高系统气动效率。

本发明的另一个目的是提供一种崭新和独特的容积式气/汽体机械旁支脉动陷阱的设计与结构，它与压缩腔并联为一体，取代传统串接消音器，体积小(起码十倍以上的体积减少)，重量轻。

本发明的另一个目的是提供一种崭新和独特的容积式气/汽体机械旁支脉动陷阱的设计与结构，它与压缩腔并联，消除了过压缩工况所伴随的能量损失而达到节能并提高系统气动效率。

本发明的另一个目的是提供一种崭新和独特的容积式气/汽体机械旁支脉动陷阱的设计与结构，可以在宽广的压比范围内同时减少一次性气流和压力脉动以及由此激发的和二次性噪音和振动危害。

本发明的另一个目的是提供一种崭新和独特的容积式气/汽体机械旁支脉动陷阱的设计与结构，可以在不同速度或宽广的排气频率范围内同时减少一次性气流和压力脉动以及由此激发的二次性噪音和振动危害。

本发明的另一个目的是提供一种崭新和独特的容积式气/汽体机械旁支脉动陷阱的设计与结构，其系统变工况(不同压比或不同速度时的工况)气动效率要高于传统的使用串接脉动衰减器和/或变内压缩比设置的效率。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，它包括：

a.至少一气缸，上有气流进口，气流排气口和两者间的气流传送腔或压缩腔；

b.安装在气缸和压缩腔内的由外力驱动改变压缩腔容积的转子，通过周期运动推动气流从进口到排气口的增压和流动；

c.旁支脉动陷阱，包括与气缸并联的机壳形成的脉动陷阱腔，脉动陷阱腔内至少有一个气流脉动衰减设置，在脉动陷阱腔上至少有一个陷阱进口连接压缩腔，在脉动陷阱腔上至少有一个陷阱出口连接容积式压缩机的气流排气口；

d.此带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械能够减少一次性气流和压力脉动以及由此激发的二次性噪音和振动危害，提高系统气动效率而且不需要串接脉动衰减器和变内压缩比设置。

所述的陷阱进口上游至少有一个渐开槽，槽的开始处位于离开压缩机气流进口距离等于或大于压缩腔刚刚对进气口关闭(密闭)处，但始终在压缩机排气口之前。

所述的陷阱进口渐开槽长度与脉动陷阱进口宽度的比不大于五比一。

所述的脉动陷阱腔内至少包括一个气流脉动衰减设置，每个脉动衰减设置至少包括一个非板状的多孔装置。

所述的非板状的多孔装置形状像吸尘器吸头，即从陷阱进口长方形截面形状逐渐连续过渡到管形截面。

所述的非板状的多孔装置形状是具有相同截面积的圆柱形状。

所述的圆柱形状的多孔装置的圆柱长对圆柱直径比至少大于或等于2。

所述的非板状的多孔装置端面(陷阱进口对面)是曲面而且曲面上面没有穿孔。

所述的非板状的多孔装置形状是具有从陷阱进口端开始不断减小横截面积的圆锥形状。

所述的非板状的多孔装置的总的内表面面积对所有穿孔最小横截面积之和的比至少大于或等于5。

所述的非板状的多孔装置的所有穿孔最小横截面积之和对陷阱进口面积的比至少大于或等于1。

所述的非板状的多孔装置穿孔的形状为等面积形状，或脉动流方向的横截面积减小的喷管或脉动流方向的横截面积先减小再逐渐增大的拉法尔喷管。

所述的非板状的多孔装置上面至少有10个穿孔。

所述的非板状的多孔装置上的穿孔均匀分布且轴对称，即一个孔的对面总有另外一个一模一样的孔。

所述的非板状的多孔装置端面(陷阱进口对面)是曲面而且曲面上面至少有一个穿孔。

所述的非板状脉动衰减设置包括至少两个并联的非板状多孔装置。

所述的非板状脉动衰减设置包括至少两个并联的非板状多孔装置并且成对分布。

所述的非板状脉动衰减设置包括至少两个并联的非板状多孔装置表面上所有穿孔最小横截面积之和对陷阱进口面积的比处于0.4-4.0之间。

所述的非板状脉动衰减设置包括至少两个串联的非板状多孔装置。

所述的非板状脉动衰减设置包括至少两个串联的非板状多孔装置并且成对分布。

所述的非板状脉动衰减设置包括至少两个串联的非板状多孔装置，其中一个非板状多孔装置位于另一个非板状多孔装置里面。

所述的非板状脉动衰减设置包括至少两个串联的非板状多孔装置，其中一个非板状多孔装置位于另一个非板状多孔装置后面。

这些和其它新颖性以及本发明的目的，将通过以下有关图示和具体实施方式的详细描述、讨论和权利要求而更为清晰。

附图说明

参考有关图示的目的仅仅是为了说明，但不限于图示，现说明如下：

图1a是一个典型的容积式气/汽体机械分类图，图中显示现有的容积式压缩机和容积式膨胀机的各种类型，均适合本发明对象的原理；图1b是欠压缩(左图)或过压缩过程(右图)在P-V图上的表示；

图2a(此前工艺)是传统容积式压缩机在欠压缩(上图)或过压缩(下图)时压缩循环的通用原理图；图2b-2e(此前工艺)分别是罗茨式、螺杆式、涡旋式和往复活塞式压缩机压缩循环的通用原理图；

图3a-3b是激波管原理图，表示一直管内分隔两边不同压力气体的隔膜突然打开后所激发的波流图和压力分布和演变，也是本发明的气流及压力脉动产生机理图；图3c-3f(此前工艺)展示了传统罗茨式、螺杆式、涡旋式和往复活塞式容积式压缩机分别在欠压缩或过压缩时，排气口突然打开后所激发的压缩波(同心密圆弧标注)和膨胀波(同心疏圆弧标注)向压缩腔和排气管道传播的机理图；

图4a展示本发明带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械在欠压缩(上图)或过压缩(下图)时压缩循环的通用原理图；图4b-4e展示了本发明带有旁支脉动陷阱方法分别应用于罗茨式、螺杆式、涡旋式和往复活塞式压缩机的最佳实施方案；图4f在P-V图上展示使用旁支脉动陷阱板方法比传统的串接脉动衰减设置节能的原理和大小；图4g展示了罗茨式压缩机所带旁支脉动陷阱板内使用板式多孔脉动衰减设置的试验结果；

图5a是局部剖面图，表示本发明带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械的一个最佳实现方案：在脉动陷阱内每对脉动陷阱腔/压缩腔使用一个非板状多孔脉动衰减设置；图5b则是另一个最佳实现方案：在脉动陷阱内每对脉动陷阱腔/压缩腔使用多个非板状多孔脉动衰减设置；

图6a是局部剖面图，表示本发明带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械的另一个最佳实现方案：在脉动陷阱内使用像吸尘器吸头形状的非板状多孔脉动衰减设置；图6b-6c是三维图，表示本发明旁支脉动陷阱内所使用的像吸尘器吸头形状的非板状多孔脉动衰减设置的另外两种形状；

图7a是局部剖面图，表示本发明带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械的另一个最佳实现方案：在脉动陷阱内使用两级串联的非板状多孔脉动衰减设置；图7b-7c是局部剖面图，表示本发明旁支脉动陷阱内所使用的两级串联的非板状多孔脉动衰减设置的另外两种实现方案；

图8为局部剖面图，表示图5a-7c展示的本发明带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械的非板状多孔脉动衰减设置中穿孔的分布、尺寸和形状；

图9为局部剖面图，表示本发明带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械的另一个最佳实现方案：使用脉动陷阱进口使用渐开槽脉动衰减设置。

具体实施方式

尽管下面将参照有关图示来描述本发明的具体实现方案，但应该理解，这里的实现方案仅仅是作为例子和说明，而根据本发明的原理可以实现的其它方案则有很多种。很明显，对于熟悉这些工艺的人，在本发明范畴内的各种各样的变化和修改，将被认为属于本发明的精神、范围和考虑之列，这将在附加的权利要求中进一步明确。

另外需要指出的是，尽管有关图示和描述采用的是气体容积式压缩机的欠压缩工况(罗茨式)来展示本发明的具体实现方案，其原理和精神也可以用于过压缩工况。同样原则还适用于不同介质：无论是空气还是其它真实气/汽体(如空调制冷介质)，气态或液态或两相流。最后，此原理也适用于容积式膨胀机，不同之处在于膨胀机使用介质内能来产生轴功。

作一个简短介绍，本发明带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，包括至少一气缸，上有气流进口，气流排气口和两者间的气流传送腔或压缩腔；安装在气缸和压缩腔内的由外力驱动改变压缩腔容积的转子，通过周期运动推动气流从进口到排气口的增压和流动；旁支脉动陷阱，包括与气缸并联的机壳形成脉动陷阱腔，脉动陷阱腔内至少有一个气流脉动衰减设置，在脉动陷阱腔上至少有一个陷阱进口连接压缩腔，在脉动陷阱腔上至少有一个陷阱出口连接容积式气/汽体机械的气流排气口。

本发明带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，减少一次性气流和压力脉动以及由此激发的二次性噪音和振动危害，提高系统气动效率而且不需要变内压缩比设置和/或串接脉动衰减器。

在详细说明之前，先概括性地叙述一下本发明的技术背景和原理。美国专利9,140,260、9,140,261(容积式，中国申请号或专利号：201210047941.1)、9,151,292(螺杆式，中国申请号或专利号：201110449760.7)、9,243,557(内燃机，中国申请号或专利号：201210344360.4)及美国专利申请14/285,678(涡旋式，中国申请号或专利号：201510226596.1)，披露了从激波管机理入手(见图3a、图3b，激波管原理图)，气流脉动产生的机理类似激波管爆发过程，即产生于容积式压缩机在非设计工况欠压缩或过压缩时压差突然释放所引发的脉动流体和强波的相互及共同作用，进而将此机理应用到不同类型的容积式气/汽体机械(罗茨式、螺杆式、容积式压缩机和内燃机及涡旋式压缩机)的气流脉动的控制。

参考图4a，这里展示的是带有旁支(并联)脉动陷阱的容积式压缩机压缩循环通用原理图。广而言之，脉动陷阱方法解决脉动问题的策略是：在气流到压缩机排气口之前，将压力脉动首先从压缩腔引诱到并联的脉动陷阱内，再在脉动陷阱内予以衰减，这样在压缩机排气口排气时，气流已无压力脉动。图2a显示的是最常用的传统串接消音器或脉动衰减器的方法，它的脉动衰减发生在压缩机排气口之后，脉动衰减器与压缩腔及后面的排气口串联连接；而本发明带有旁支脉动陷阱的容积式压缩机的脉动衰减则发生在压缩机排气之前，在脉动陷阱腔内的脉动衰减设置与压缩腔并联连接。相对于传统容积式压缩循环，两者的进气和传递/压缩冲程仍相同，但排气和脉动衰减冲程的次序则完全不同。脉动陷阱腔与压缩腔由陷阱进口连接，并且脉动陷阱腔与气流排气口也由陷阱出口相连接。脉动陷阱腔内有气流脉动衰减设置，它在气流排出压缩机排气口之前(而不是传统压缩循环在气流排出压缩机排气口之后)，将压力脉动源，也就是压缩腔与压缩机排气口之间的压差，首先引诱到脉动陷阱内，并在脉动陷阱内予以衰减，这样在压缩机排气口排气时，气流已无压力脉动产生的压差，也就没有了压力脉动源。如图4b-4e所示，在压缩腔突然向脉动陷阱腔打开的瞬间，由于压缩腔和脉动陷阱腔之间存在欠压缩工况时的压力差(因为脉动陷阱腔与压缩机排气口连接)，根据激波管理论，此时在陷阱进口会激发出一系列的压力波和流体流动。所产生的压力波中的压缩波(同心密圆弧标注)和流体将向低压的压缩腔内传播流动并压缩里面的气体，而与此同时产生的压力波中的膨胀波(同心疏圆弧标注)将向高压的陷阱腔内传播并激发反向流，其中膨胀波在那里被脉动衰减设置表面所阻挡(反射)，而反向流体则可以由脉动衰减设置表面上的许多穿孔通过，即通流隔波的“陷阱”设置将陷阱内的压力脉动能量转换成流体流动的动能。因为波的传播速度是驱动转子线速度的10-50倍，波动反射几次(十次以下)即衰减效果显著，也即陷阱进口开启只需在排气口打开之前足够远即可，目标是在压缩机排气口排气时，压力脉动在脉动陷阱内已衰减完毕，也就是气流在排气时已无压力脉动产生的压差(源头)，也就没有了压力脉动了，即没有了气流脉动的主要组成部分。

本发明带有旁支脉动陷阱的容积式压缩机的脉动衰减与传统的排气口串联连接的减振器或消音器的差别在于排气和脉动衰减的时间先后：不像传统方法那样等到排气口排气之后再衰减(传统方法压缩腔和脉动衰减设置是串联和先后关系)，旁支脉动陷阱方法将压力脉动衰减提前到出口排气前的压缩过程，而且压缩和脉动衰减同时进行，即压缩腔和脉动衰减设置是并联关系。

这样做有下面好处。首先，压力脉动激发的脉动流(IFF)得以从主流(Q)中分离出来，只有脉动流IFF需要经过脉动陷阱内的脉动衰减设置，此时脉动陷阱出口压力与压缩机排气口压力相同，即没有背压；而传统串接脉动衰减设置中脉动流(IFF)和主流(Q)则在排气时混合在一起，主流和脉动流均要经过串接衰减设置，致使总的流动压力损失增加，也即压缩机有串接脉动衰减设置的背压损失，导致压缩机系统效率下降。第二，旁支脉动陷阱离脉动源头近，由于主流Q不通过此处，尺寸可以比传统串接脉动衰减设置大大减小，并可以与压缩机气缸连为一体，使压缩机整体体积减小，重量减轻，因而减小产生二次性振动和噪音的源头。

以上原理应用在罗茨式压缩机上的试验结果(图4g)表明，旁支脉动陷阱方法不仅可以在源头减少气流和压力脉动，其效果与传统的串接脉动衰减设置(消音器)一样显著(10倍以上的压力脉动衰减)，而且系统气动效率比传统的串接脉动衰减器的系统效率大幅度提高(图4f)，同时又减小了系统的体积和重量。但以上披露的旁支脉动陷阱样机试验时观察到一个负面效果，旁支脉动陷阱内使用的板式多孔衰减设置会激发多孔板的振动而引发所谓“击鼓效应”，即脉动陷阱内的气流脉动能量所激发的二次性振动和噪音，从而不能全面的体现旁支脉动陷阱方法的优势，这也是本发明需要改进的地方，即改进产生二次性振动和噪音的源头-板式多孔衰减设置，消除激发“击鼓效应”的作用力，从而进一步在源头减少气流和压力脉动以及由此激发的二次性振动和噪音。

参考图5a，这里显示的是一个典型的为实现本发明带有旁支脉动陷阱50的罗茨式压缩机10的最佳方案。本发明带有旁支脉动陷阱50的罗茨式压缩机10通常包括一气缸体20，上有气流进口36，气流排气口38，气缸内的一对转子12通过轴14和16旋转与气缸体20形成传送腔37(关闭前)和压缩腔39(关闭后)。气缸体20与机壳28并联形成脉动陷阱腔51，对应每个压缩腔39和脉动陷阱腔51至少有一个气流脉动衰减设置53。在气缸体20和机壳28交接面上至少有一个陷阱进口41连接压缩腔39和脉动陷阱腔51，至少有一个陷阱出口48将脉动陷阱腔51与罗茨式压缩机的气流排气口38相连接。

旁支脉动陷阱50工作原理如下。参照图5a所示的最佳方案中，旁支脉动陷阱50包括组成缸体的气缸体20和并联机壳28，两者之间形成脉动陷阱腔51，其内有脉动气流过渡腔55和相连的气流脉动衰减设置53。气缸体20上的陷阱进口41将压缩腔39和脉动陷阱腔51通过脉动气流过渡腔55和相连的气流脉动衰减设置53相连接，而气缸体20上的陷阱出口48则将脉动陷阱腔51出口与罗茨式压缩机的气流排气口38相连接。如图5a左边所示，在转子12叶片和气缸体20形成的气流传送腔37与气流进口36刚刚关闭，即在形成了封闭的压缩腔39时，陷阱进口41的位置处于刚好开启，此刻压缩腔39突然向脉动陷阱腔51打开，由于两者间存在压力差(即压缩机欠压缩的压差)，根据激波管理论，此时在陷阱进口41处会激发出一系列的波动和流动。所产生的压缩波和诱生的脉动流将传向低压的压缩腔39并继续压缩里面的气体，而与此同时产生的膨胀波将朝相反方向传播并激发反流，即膨胀波从过渡腔55传播到脉动衰减设置53，在脉动衰减设置53的表面被阻隔，其能量则转换成脉动衰减设置53表面穿孔所激发的脉动流54的动能。脉动流54流动方向如图5a图中小箭头所表示，其路径为：由陷阱出口48进入陷阱腔51，经过脉动衰减设置53和过渡腔55，收敛到陷阱进口41，最后释放到压缩腔39内。图5a上大箭头则表示转子12旋转方向和从气流进口36到气流排气口38的主流(Q)方向。因为波的传播速度是转子12叶片顶部线速度的10-50倍，压力脉动衰减可在转子12叶片顶部转到压缩腔39向压缩机排气出口38打开之前完成，因而在压缩腔39向排气出口38排气时与气流出口38之间已无压差，即气流已无产生脉动的源(压力差)，因此不再需要串接出口脉动衰减器。

作为本发明一个重要的新颖性和独特性，旁支脉动陷阱50内的非板状多孔脉动衰减设置53工作原理如下。参照图5a右边的局部放大图，旁支脉动陷阱50内非板状多孔脉动衰减设置53的基本原理与板状多孔脉动衰减设置基本相同(比较图4b)，都是通过旁支脉动陷阱50在排气之前消除气流脉动源(压力差)，但脉动衰减设置53的设计则完全不同。如图5a右边的局部放大图上图所示，当压缩腔39在欠压缩工况突然向脉动陷阱过渡腔55打开时，在陷阱进口41处激发出的膨胀波将向过渡腔55和非板状多孔脉动衰减设置53传播，并在非板状多孔脉动衰减设置53的非板状表面被阻隔，其能量则转换成脉动衰减设置53表面穿孔所诱发的脉动流54的动能。因为非板状多孔脉动衰减设置53中的穿孔是轴对称分布的，此时欠压缩工况压差在每个穿孔所引发的波流作用力与对面对应穿孔所引发的波流作用力相互抵消，进而消除了产生二次性振动和噪音的激发源；如果非板状的多孔装置形状是具有相同截面积的圆柱形状，而且圆柱长对圆柱直径比至少大于或等于2的话，则圆柱面面积远大于圆柱端面面积或“鼓面”面积，因而圆柱端面引发的“击鼓效应”效果影响较小，进而减小了由之产生的二次性振动和噪音。相比之下，图4b所示的板状多孔脉动衰减设置中的穿孔分布在一个平面上而且是单向的，欠压缩工况压差在每个孔所引发的波流作用力相互迭加进而产生强烈的“击鼓效应”，从而增强了二次性振动和噪音的产生。图5a右边的局部放大图下图展示非板状多孔脉动衰减设置的端面上至少有一个穿孔，可以进一步增加波流转换的效果，作为本发明罗茨式压缩机10带有旁支脉动陷阱50的另外一种最佳实现方案。

图5b展示了本发明罗茨式压缩机10带有旁支脉动陷阱50的另外一种最佳实现方案：在脉动陷阱内使用多个非板状多孔脉动衰减设置，其气流脉动衰减原理与单个相同，但可以使用多个标准尺寸的非板状多孔脉动衰减设置53，安装在同一个过渡腔55上，来满足不同场合下的应用，并减小总体尺寸和制造成本。

当传统罗茨式压缩机10配有本发明旁支脉动陷阱50时，它可以减少一次性气流和压力脉动，减少二次性噪音和振动危害，提高系统气动效率而且不需要外接脉动减振器和变内压缩比设置。

图6a展示了本发明带有旁支脉动陷阱60的罗茨式压缩机10的另一个最佳实现方案：在脉动陷阱内使用像吸尘器吸头形状的非板状多孔脉动衰减设置。其气流脉动衰减原理与图5a中的非板状多孔脉动衰减设置基本相同，但其过渡腔55和非板状多孔脉动衰减设置53变成了连为一体的过渡腔65和非板状多孔脉动衰减设置64，过渡腔65的横截面形状和面积从陷阱进口41的长方形，连续光滑的过渡到非板状多孔脉动衰减设置64的形状，如圆形。如图6a所示的最佳方案中，旁支脉动陷阱60包括组成缸体的气缸体20和并联机壳28，两者之间形成脉动陷阱腔51，其内有光滑连续过渡腔65和光滑连续相连的非板状多孔气流脉动衰减设置64，两者共同形成像吸尘器吸头形状的非板状多孔脉动衰减设置63。气缸体20上的陷阱进口41将压缩腔39和脉动陷阱腔51通过过渡腔65和相连的气流脉动衰减设置64相连接，而气缸体20上的陷阱出口48则将脉动陷阱腔51出口与罗茨式压缩机的气流排气口38相连接。如图6a左边所示，在转子12叶片顶部和气缸体20形成的气流传送腔37与气流进口36刚刚关闭，即在形成了封闭的压缩腔39时，陷阱进口41的位置处于刚好开启，即此刻压缩腔39突然向脉动陷阱过渡腔65打开，由于两者间存在压力差(即压缩机欠压缩的量)，根据激波管理论，此时在陷阱进口41处会激发出一系列的波动和流动。所产生的压缩波和诱生的脉动流将传向低压的压缩腔39并继续压缩里面的气体，而与此同时产生的膨胀波将朝相反方向传播，即从光滑过渡腔65经脉动衰减设置64向陷阱腔51传播，此过程中膨胀波被脉动衰减设置63表面被阻隔，其能量则转换成脉动衰减设置63表面穿孔所诱发的脉动流54的动能。在图6a图中，小箭头54表示脉动流(IFF)的流动方向，其路径如下：由陷阱出口48进入陷阱腔51，经过脉动衰减设置64和光滑过渡腔65，收敛到陷阱进口41，最后释放到压缩腔39内。因为过渡腔65和与之相连的气流脉动衰减设置64的横截面积和形状均是光滑连续过渡的，这样可以使过渡腔的体积最小，使得脉动膨胀波从陷阱进口41到非板状多孔脉动衰减设置64的传播距离最小并没有反射表面，使得脉动流从陷阱出口48经非板状多孔脉动衰减设置64和过渡腔65到陷阱进口41的传播时间最快，得以进一步消除二次性振动和噪音。图6b-6c则表示本发明旁支脉动陷阱60所使用的像吸尘器吸头形状的非板状多孔脉动衰减设置63的另外两种形状。如同图5b展示的旁支脉动陷阱50可以在脉动陷阱内使用多个非板状多孔脉动衰减设置53一样，图6a展示的旁支脉动陷阱60也可以使用多个标准尺寸的像吸尘器吸头形状的非板状多孔脉动衰减设置63，来满足不同场合下的应用，并减小总体尺寸和制造成本。

图7a展示了本发明带有旁支脉动陷阱70的罗茨式压缩机10的另一个最佳实现方案：在脉动陷阱内使用两级串联的非板状多孔脉动衰减设置。其气流脉动衰减原理与图5a中的非板状多孔脉动衰减设置基本相同，也有过渡腔55，但非板状多孔脉动衰减设置53变成了两级非板状多孔脉动衰减设置75和77串联而成的脉动衰减设置73。如图7a所示的最佳方案中，旁支脉动陷阱70包括脉动陷阱腔51，其内有过渡腔55和相连的脉动衰减设置73，脉动衰减设置73内有两级串联的非板状多孔脉动衰减设置75和77。如图7a左边所示，当压缩腔39突然向脉动陷阱过渡腔55打开，由于两者间存在压力差(即压缩机欠压缩的量)，根据激波管理论，此时在陷阱进口41处会激发出一系列的波动和流动。所产生的压缩波和诱生的脉动流将传向低压的压缩腔39并继续压缩里面的气体，而与此同时产生的膨胀波将朝相反方向传播，即从过渡腔55向脉动衰减设置73传播，此过程中膨胀波被第一级脉动衰减设置75衰减后，再进入串联的第二级脉动衰减设置77再一次衰减，即两级衰减。而脉动流的方向则相反，在图7b图中，小箭头54表示脉动流(IFF)的流动方向如下：由陷阱出口48进入陷阱腔51，进入脉动衰减设置77，在里面衰减后径向流出，到下一级脉动衰减设置75外，再径向从外流入到过渡腔55，收敛到陷阱进口41，最后释放到压缩腔39内。因为脉动气流和脉动波先后经过两级的衰减，这样可以使衰减的幅度成倍增加，适用于高强度气流脉动危害的控制，进一步消除一次性气流脉动和二次性振动和噪音。与图7a-7b展示的并肩两级串接方式不同，图7c则表示本发明旁支脉动陷阱70的另外一种实施方案：使用里外两级串联的非板状多孔脉动衰减设置73。图中脉动流(IFF)54的流动方向如下(对欠压缩)：由陷阱出口48进入陷阱腔51，径向从外流入脉动衰减设置77，再径向从外流入脉动衰减设置75，再流入过渡腔55，收敛到陷阱进口41，最后释放到压缩腔39内。如同图5b展示的旁支脉动陷阱50可以在脉动陷阱内使用多个非板状多孔脉动衰减设置53一样，图7a展示的带有旁支脉动陷阱70也可以使用多个标准尺寸的两级串联的的非板状多孔脉动衰减设置73，来满足不同场合下的应用，并减小总体尺寸和制造成本。

图8展示了上述讨论的本发明罗茨式压缩机10旁支脉动陷阱50和60和70内非板状多孔脉动衰减设置中穿孔的几种最佳实现方案。原则上，非板状的多孔装置的总的内表面积(对圆柱，圆柱形表面积等于πDL，其中L为圆柱长，D为圆柱內圆直径，见图5a上标识)对所有穿孔最小横截面积之和(等于NπR²，其中N为所有穿孔数目，R为穿孔最小圆半径-如果穿孔不是等横截面积的话)的比应该至少大于或等于5；同时，非板状的多孔装置的所有穿孔最小横截面积之和对陷阱进口41面积的比应该至少大于或等于1，以达到最佳脉动陷阱效果。另外，对于相同的总穿孔面积，如制造成本许可，应该使用尽量多的小孔，而不是少量的大孔，所以每个非板状的多孔装置上面至少应该有10个小穿孔。此外，非板状的多孔装置上的穿孔应该均匀分布且轴对称，即一个孔的对面总有另外一个一模一样的穿孔。但一个例外是在非板状的多孔装置端面(陷阱进口41对面)的曲面上，可以没有穿孔，也可以至少有一个穿孔，如图5a上右边上下两个局部放大图所示。以上所述的非板状的多孔装置穿孔的形状可以为等面积形状，或脉动流方向的横截面积减小的喷管或脉动流方向的横截面积先减小再逐渐增大的拉法尔喷管。

图9展示了本发明带有旁支脉动陷阱90的罗茨式压缩机10的另一个最佳实现方案：在脉动陷阱进口处使用渐开槽脉动衰减设置。如图9和其中局部放大图所示的最佳方案中，在陷阱进口41之前(转子旋转方向)的内表面上，至少有一个预开口或渐开槽93，用渐开槽93作为脉动衰减设置的旁支脉动陷阱90可以单独使用，也可以和上述旁支脉动陷阱50和60和70中非板状多孔脉动衰减设置同时使用。渐开槽93的个数可以是一个与转子12叶片同样走向的通槽，也可以是图9中所示的多个微槽并联使用，不管哪种情况，渐开槽93均将压缩腔39与脉动陷阱进口41在转子12叶片顶部到达陷阱进口41位置前提前连通，相对于上述旁支脉动陷阱50和60和70中压缩腔在转子12叶片顶部到达陷阱进口41位置时的突然连接，即渐开槽93与转动方向垂直面的面积从转子旋转方向上是逐渐增大，但其最大面积应该小于陷阱进口41的通流面积，渐开槽93的形状则可以多种，如图9中展示的逐渐凹进形状。与突然打开的陷阱进口41相比(图9中显示的陷阱进口41是等宽度长方形槽，但陷阱进口41也可以是多个通孔，通孔的形状可以是等面积形状，也可以是脉动流方向的横截面积减小的喷管形状或脉动流方向的横截面积先减小再逐渐增大的拉法尔喷管形状，如图4b中左边所示)，渐开槽93的渐开长度W一般大于陷阱进口41的宽度a(图9中局部放大图所示)，这样在脉动陷阱进口打开时，所激发的波流强度要小于没有渐开槽而突然打开时所激发的波流强度，即在脉动产生的源头削弱了脉动强度。但渐开槽长度W也不能太长，因为要保证渐开槽起点到压缩机气流进口的距离A等于或大于压缩腔刚刚对进气口关闭(密闭)的长度或角度，即起码有一个叶片节距(两个相邻叶片之间的距离)的角度，对三叶转子此节距是120度，对四叶转子此节距是90度，所以原则上陷阱进口渐开槽93的长度W与脉动陷阱进口41的宽度a的比不大于五比一。

由上可见，本发明提供的有独特性和新颖性的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，能够减少一次性气流和压力脉动以及由此激发的二次性噪音和振动危害，提高系统气动效率而不需要串接脉动衰减器和/或使用变内压缩比设置。

当然，本发明并没有特意局限于任何特别的形式或配置，或者任何具体的实现方式及任何特指的使用，此中所透露的，在没有离开本发明申请的如上文所示并描述的精神或范围情况下，同样的实质在各种各样的细节或者关系上可能被改变。这里展示的装置或方法仅仅是为了说明和披露一些实现的最佳形式，而非展示所有本发明可能被实现或操作的不同形式或改动。

充分依照专利法律法规，本发明已经有相当多的细节描述，以提供至少有关它体现形式之一的公开技术信息披露。但是，这样的详细描述并无意图从任何方面去限制本发明的那些广泛的特征或者原理。

Claims (22)

1.一种带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，它包括：

a.至少一气缸，上有气流进口，气流排气口和两者间的气流传送腔或压缩腔；

b.安装在气缸和压缩腔内的由外力驱动改变压缩腔容积的转子，通过周期运动推动气流从进口到排气口的增压和流动；

c.旁支脉动陷阱，包括与气缸并联的机壳形成脉动陷阱腔，脉动陷阱腔内至少有一个气流脉动衰减设置，在脉动陷阱腔上至少有一个陷阱进口连接压缩腔，在脉动陷阱腔上至少有一个陷阱出口连接容积式气/汽体机械的气流排气口；

d.此带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械能够减少一次性气流和压力脉动以及由此激发的二次性噪音和振动危害，提高系统气动效率而且不需要串接脉动衰减器和变内压缩比设置。

2.如权利要求1所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的陷阱进口上游至少有一个渐开槽，槽的开始处位于离开压缩机气流进口距离等于或大于压缩腔刚刚对进气口关闭(密闭)处，但始终在容积式气/汽体机械排气口之前。

3.如权利要求2所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的陷阱进口渐开槽长度与脉动陷阱进口宽度的比不大于五比一。

4.如权利要求1所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的脉动陷阱腔内至少包括一个气流脉动衰减设置，每个脉动衰减设置至少包括一个非板状的多孔装置。

5.如权利要求4所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的非板状的多孔装置形状像吸尘器吸头，即从陷阱进口长方形截面形状逐渐连续过渡到管形截面。

6.如权利要求4所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的非板状的多孔装置形状是具有相同截面积的圆柱形状。

7.如权利要求6所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的圆柱形状的多孔装置的圆柱长对圆柱直径比至少大于或等于2。

8.如权利要求4所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的非板状的多孔装置端面(陷阱进口对面)是曲面而且曲面上面没有穿孔。

9.如权利要求4所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的非板状的多孔装置形状是具有从陷阱进口端开始不断减小横截面积的圆锥形状。

10.如权利要求4所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的非板状的多孔装置的总的内表面面积对所有穿孔最小横截面积之和的比至少大于或等于5。

11.如权利要求4所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的非板状的多孔装置的所有穿孔最小横截面积之和对陷阱进口面积的比至少大于或等于1。

12.如权利要求4所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的非板状的多孔装置穿孔的形状为等面积形状，或脉动流方向的横截面积减小的喷管或脉动流方向的横截面积先减小再逐渐增大的拉法尔喷管。

13.如权利要求4所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的非板状的多孔装置上面至少有10个穿孔。

14.如权利要求4所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的非板状的多孔装置上的穿孔均匀分布且轴对称，即一个孔的对面总有另外一个一模一样的孔。

15.如权利要求4所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的非板状的多孔装置端面(陷阱进口对面)是曲面而且曲面上面至少有一个穿孔。

16.如权利要求4所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的非板状脉动衰减设置包括至少两个并联的非板状多孔装置。

17.如权利要求4所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的非板状脉动衰减设置包括至少两个并联的非板状多孔装置并且成对分布。

18.如权利要求4所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的非板状脉动衰减设置包括至少两个并联的非板状多孔装置表面上所有穿孔最小横截面积之和对陷阱进口面积的比处于0.4-4.0之间。

19.如权利要求4所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的非板状脉动衰减设置包括至少两个串联的非板状多孔装置。

20.如权利要求4所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的非板状脉动衰减设置包括至少两个串联的非板状多孔装置并且成对分布。

21.如权利要求4所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的非板状脉动衰减设置包括至少两个串联的非板状多孔装置，其中一个非板状多孔装置位于另一个非板状多孔装置里面。

22.如权利要求4所述的带有旁支脉动陷阱的容积式气/汽体机械，其特征在于，所述的非板状脉动衰减设置包括至少两个串联的非板状多孔装置，其中一个非板状多孔装置位于另一个非板状多孔装置后面。