CN108223372B - 一种双螺杆压缩机转子型线 - Google Patents

一种双螺杆压缩机转子型线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双螺杆压缩机转子型线，它涉及双螺杆压缩机技术领域；阴转子齿型线和阳转子齿型线均由7段曲线首尾光滑连接而成，它解决现有压缩机转子型线啮合线的次数最高也只能达到二次，压缩机在运转过程中出现较大的气动损失，同时对于调整后的结果也难以预测的问题；所述曲线包括B样条曲线、圆弧曲线和“点‑摆线”；B样条曲线A2B2与B样条曲线B2C2相切于点B2，B样条曲线B2C2与B样条曲线C2D2相切于点C2，圆弧D2E2与圆弧E2F2相切，其中圆弧D2E2与B样条曲线C2D2相切于点D2，圆弧D2E2与圆弧E2F2相切于点E2，F2G2段采用了“点‑摆线”的啮合方式。本发明用于双螺杆压缩机。

Description

一种双螺杆压缩机转子型线
技术领域：
本发明涉及一种双螺杆压缩机转子型线，属于压缩机技术领域。
背景技术：
双螺杆压缩机因其优异的性能被广泛应用于各个行业的各个领域，其中的关键零部件是一对啮合转动的螺杆转子，而对于螺杆转子型线的研究目前仍存在一些没有解决的问题或者还有不够完善的地方，寻求性能更好的螺杆转子型线一直是人们的目标。螺杆主机作为双螺杆压缩机所有部件中最重要的部件，它的性能优劣将决定螺杆压缩机整机性能的好坏，如运转的可靠性、机器寿命等。目前我国已经有将近250多家螺杆压缩机生产厂商，虽然这些部分企业也拥有其研发中心，能够独立进行螺杆主机的设计研发工作，但是这些企业在螺杆主机上的研发能力与国外知名压缩机企业存在相当大的差距，此外国内大部分的压缩机企业目前也只能通过引进国外进口的螺杆主机进行组装，加之国内用于螺杆转子加工的设备的加工精度也难以得到保证，所以从根本上来说具备自主研发和生成压缩机产品的企业很少。长期以来，Atlas Copco和Ingersoll Rand等一些国外著名的压缩机主机厂商控制着螺杆主机的最先进的设计技术和加工技术，在我国的压缩机市场上一直处于垄断地位。因此，深入研究双螺杆压缩机尤其是螺杆主机的关键技术，掌握其中的关键技术，挣脱国外著名压缩机厂商对我国形成的技术封锁，拥有属于我国自己的双螺杆压缩机高技术含量产品，逐步提高自主化压缩机产品的市场份额，对于掌握双螺杆压缩机领域自主知识产权具有重大战略意义。
目前转子型线的设计和优化大都局限于采用点、直线和二次曲线等简单曲线，设计的转子型线的啮合线的次数最高也只能达到二次，在调整这些型线或啮合线的形状过程中存在诸多不便缺乏灵活调整性，生成的螺杆转子流线型不好，造成压缩机在运转过程中出现较大的气动损失，同时对于调整后的结果也难以预测。
发明内容：
为了解决现有压缩机转子型线啮合线的次数最高也只能达到二次，压缩机在运转过程中出现较大的气动损失，同时对于调整后的结果也难以预测的问题，本发明提供一种双螺杆压缩机转子型线。
本发明的一种双螺杆压缩机转子型线，包括阴转子齿型线和阳转子齿型线，阴转子齿型线和阳转子齿型线均由7段曲线首尾光滑连接而成，所述曲线包括B样条曲线、圆弧曲线和“点-摆线”；
其中阴转子各齿的曲线包括顺序光滑连接的：B样条曲线A2B2，B样条曲线B2C2，B样条曲线C2D2，圆弧D2E2，圆弧E2F2，“点-摆线”F2G2，节圆圆弧G2H2；
B样条曲线A2B2与B样条曲线B2C2相切于点B2，B样条曲线B2C2与B样条曲线C2D2相切于点C2，圆弧D2E2与圆弧E2F2相切，其中圆弧D2E2与B样条曲线C2D2相切于点D2，圆弧D2E2与圆弧E2F2相切于点E2，F2G2段采用了“点-摆线”的啮合方式；
啮合线坐标系O0x0y0的原点位于转子节圆的切点处，O1x1y1是固结在阳转子的动坐标系，O2x2y2是固结在阴转子的动坐标系，
阳转子动态坐标系O1x1y1和啮合线坐标系O0x0y0之间变换公式为：
阴转子动态坐标系O2x2y2和啮合线坐标系O0x0y0之间变换公式为：
阴转子动态坐标系O2x2y2和阳转子动态坐标系O1x1y1之间变换公式为：
组成阴转子各齿的多曲线中：
B样条曲线A2B2：
插值点一，X＝97.117745，Y＝-70.485059，斜率为0.4798；
插值点二，X＝98.827699，Y＝-59.756319；
插值点三，X＝94.547509，Y＝-51.797797；
插值点四，X＝89.092606，Y＝-46.751958，斜率为-1.4482；
B样条曲线B2C2：
插值点一，X＝89.092606，Y＝-46.751958,斜率为-1.4482；
插值点二，X＝81.822363，Y＝-40.932989；
插值点三，X＝75.109067，Y＝-33.466764；
插值点四，X＝71.502577，Y＝-28.00，斜率为-0.5789；
B样条曲线C2D2：
插值点一，X＝71.502577，Y＝-28.00，斜率为-0.5789；
插值点二，X＝66.445263，Y＝-16.367351；
插值点三，X＝64.049807，Y＝-2.361347；
插值点四，X＝64.866451，Y＝9.812840，斜率为0.1751；
圆弧D2E2：
顺时针顺序，起点X＝64.866451，Y＝9.812840,终点X＝95.570578，Y＝43.114041,半径为68.1642；
圆弧E2F2:
顺时针顺序，起点X＝95.570578，Y＝43.114041，终点X＝110.481630，Y＝46.838119,半径为32；
“点-摆线”F2G2:
阴转子起点X＝110.481630，Y＝46.838119；阳转子起点X＝88.684597，Y＝46.301321；
节圆圆弧G2H2:
逆时针顺序，起点X＝110.481630，Y＝46.838119；终点X＝109.600724，Y＝48.863905。
作为优选，B样条曲线C2D2终止位置保护角为10°。
作为优选，阴阳转子齿数比为6：5，两转子中心距确定为220mm。
本发明的有益效果为：用B样条曲线代替传统规则曲线来获得更高自由度和曲线连续性的转子型线，增加了型线构造的灵活性。双螺杆压缩机的泄漏三角形、接触线长度和齿间面积是相互制约的关系，采用B样条设计型线，可调参数多，可以根据设计需要进行型线的局部调整，使得泄漏三角形、接触线长度和齿间面积中的某个变量增加或减小进而满足相应的设计要求。
转子的每段曲线之间采用了相切连续，特别是传动侧型线采用了三次B样条曲线设计，可以很好地保证转子传动的平稳性，减小了运行噪声；最后一段G2H2采用节圆圆弧设计，其连接了下一段由B样条设计的起始曲线段，使齿顶与气缸内壁之间是面接触，可以起到很好地密封作用，另一方面也便于测量阴转子的外径。
附图说明：
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为阴转子、阳转子和啮合线三者各自的坐标系关系图。
图2为本发明所述的阴转子型线结构示意图。
图3为本发明所述的阴阳转子型线完整示意图。
图4为本发明所述的阴阳转子型线修改后的示意图。
具体实施方式：
本实施方式公开了一种双螺杆压缩机转子型线，如图2所示，包括阴转子齿型线和阳转子齿型线，阴转子齿型线和阳转子齿型线均由7段曲线首尾光滑连接而成，所述曲线包括B样条曲线、圆弧曲线和“点-摆线”；
其中阴转子各齿的曲线包括顺序光滑连接的：B样条曲线A2B2，B样条曲线B2C2，B样条曲线C2D2，圆弧D2E2，圆弧E2F2，“点-摆线”F2G2，节圆圆弧G2H2；
B样条曲线A2B2与B样条曲线B2C2相切于点B2，B样条曲线B2C2与B样条曲线C2D2相切于点C2，圆弧D2E2与圆弧E2F2相切，其中圆弧D2E2与B样条曲线C2D2相切于点D2，圆弧D2E2与圆弧E2F2相切于点E2，F2G2段采用了“点-摆线”的啮合方式；
如图1所示为阴转子、阳转子和啮合线三者各自的坐标系关系图，啮合线坐标系O0x0y0的原点位于转子节圆的切点处，O1x1y1是固结在阳转子的动坐标系，O2x2y2是固结在阴转子的动坐标系。三个坐标系的Z轴方向都沿着转子的轴向，由转子的传动关系可得：
R1+R2＝H，φ1+φ2＝(1+i)φ1＝kφ1
上式中，i为传动比，n为转速，z为齿数，R为转子节圆半径，φ为转子的转角，ω为角速度。所有下标为1的公式均与阳转子相关，所有下标为2的公式均与阴转子相关。三个坐标系之间的变换公式如下：
阳转子动态坐标系O1x1y1和啮合线坐标系O0x0y0之间变换公式为：
阴转子动态坐标系O2x2y2和啮合线坐标系O0x0y0之间变换公式为：
阴转子动态坐标系O2x2y2和阳转子动态坐标系O1x1y1之间变换公式为：
组成阴转子各齿的多曲线中：
B样条曲线A2B2：
插值点一，X＝97.117745，Y＝-70.485059，斜率为0.4798；
插值点二，X＝98.827699，Y＝-59.756319；
插值点三，X＝94.547509，Y＝-51.797797；
插值点四，X＝89.092606，Y＝-46.751958，斜率为-1.4482；
B样条曲线B2C2：
插值点一，X＝89.092606，Y＝-46.751958,斜率为-1.4482；
插值点二，X＝81.822363，Y＝-40.932989；
插值点三，X＝75.109067，Y＝-33.466764；
插值点四，X＝71.502577，Y＝-28.00，斜率为-0.5789；
B样条曲线C2D2：
插值点一，X＝71.502577，Y＝-28.00，斜率为-0.5789；
插值点二，X＝66.445263，Y＝-16.367351；
插值点三，X＝64.049807，Y＝-2.361347；
插值点四，X＝64.866451，Y＝9.812840，斜率为0.1751；
圆弧D2E2：
顺时针顺序，起点X＝64.866451，Y＝9.812840,终点X＝95.570578，Y＝43.114041,半径为68.1642；
圆弧E2F2:
顺时针顺序，起点X＝95.570578，Y＝43.114041，终点X＝110.481630，Y＝46.838119,半径为32；
“点-摆线”F2G2:
阴转子点X＝110.481630，Y＝46.838119；阳转子起点X＝88.684597，Y＝46.301321
节圆圆弧G2H2:
逆时针顺序，起点X＝110.481630，Y＝46.838119；终点X＝109.600724，Y＝48.863905。这将使齿顶与气缸内壁之间是面接触，可以起到很好地密封作用，阴阳转子在节圆附近以纯滚动的形式接触和传动扭矩，可以进一步降低压缩机的噪声、提高压缩性能。
阳转子设计数据通过上述阴阳转子坐标转换关系式求得，最终得到的阴阳转子型线设计图形如图3所示，通过计算得到其泄漏三角形面积为6.055mm2，接触线长度为158.40mm，面积利用系数为0.443。
进一步的，B样条曲线C2D2终止位置保护角为10°。
进一步的，阴阳转子齿数比为6：5，两转子中心距确定为220mm。
如图3所示，A2B2、B2C2、C2D2均采用了三次B样条曲线进行设计，可以适当移动B样条曲线的插值点对转子型线进行调节，进而改变转子型线的几何参数。在此，保持样条曲线段A2B2的插值点一和插值点二固定不动，以及保持样条曲线段C2D2的插值点三和插值点四固定不动，以便保证样条曲线段A2B2与上一段固定曲线相切连续，以及保证样条曲线段C2D2与下一段固定曲线相切连续。现将A2B2、B2C2、C2D2三段样条曲线的插值点除A2B2的插值点一和插值点二、C2D2的插值点三和插值点四固定不动外，其余插值点往增大阴转子齿厚的方向移动，移动过程中仍然保持A2B2、B2C2、C2D2三段样条曲线相切连续，每个插值点的移动量不固定，尽量保证曲线走势光滑，移动后的型线如图4所示，其中曲线1代表移动前，曲线2代表移动后，移动后的型线几何参数性能与移动前对比如表1所示：
表1
通过上表可以发现，调节插值点后，转子型线的泄漏三角形面积减小了很多，接触线长度稍有增加，面积利用系数提升了1.2％，转子型线整体性能有了较大改善，特别是泄漏三角形面积减小了3.205mm2，可以有效提升压缩机的压缩性能。由于泄漏三角形、面积利用系数和接触线长度三者是相互制约的关系，因此在实际的型线设计过程中可以根据设计需求尽量满足其中1至2个几何参数性能最优化。
综上所述，本实施方式公开的一种双螺杆压缩机转子型线，其部分型线段由B样条曲线组成，型线段可以局部调整，上述实施例插值点调节可以改变型线的几何参数性能，对于泄漏三角形、面积利用系数和接触线长度三者的改变，可以相应修改样条曲线段的插值点来增大或减小其中的某个几何参数变量。

Claims (3)

1.一种双螺杆压缩机转子型线，包括阴转子齿型线和阳转子齿型线，其特征在于：阴转子齿型线和阳转子齿型线均由7段曲线首尾光滑连接而成，所述曲线包括B样条曲线、圆弧曲线和“点-摆线”；
其中阴转子各齿的曲线包括顺序光滑连接的：B样条曲线A2B2，B样条曲线B2C2，B样条曲线C2D2，圆弧D2E2，圆弧E2F2，“点-摆线”F2G2，节圆圆弧G2H2；
B样条曲线A2B2与B样条曲线B2C2相切于点B2，B样条曲线B2C2与B样条曲线C2D2相切于点C2，圆弧D2E2与圆弧E2F2相切，其中圆弧D2E2与B样条曲线C2D2相切于点D2，圆弧D2E2与圆弧E2F2相切于点E2，F2G2段采用了“点-摆线”的啮合方式；
啮合线坐标系O0x0y0的原点位于转子节圆的切点处，O1x1y1是固结在阳转子的动坐标系，O2x2y2是固结在阴转子的动坐标系，三个坐标系的Z轴方向都沿着转子的轴向，由转子的传动关系可得：
R1+R2＝H，φ1+φ2＝(1+i)φ1＝kφ1
上式中，i为传动比，n为转速，z为齿数，R为转子节圆半径，φ为转子的转角，ω为角速度；所有下标为1的参数均与阳转子相关，所有下标为2的参数均与阴转子相关；三个坐标系之间的变换公式如下：
阳转子动态坐标系O1x1y1和啮合线坐标系O0x0y0之间变换公式为：
阴转子动态坐标系O2x2y2和啮合线坐标系O0x0y0之间变换公式为：
阴转子动态坐标系O2x2y2和阳转子动态坐标系O1x1y1之间变换公式为：
组成阴转子各齿的多曲线中：
B样条曲线A2B2：
插值点一，X＝97.117745，Y＝-70.485059，斜率为0.4798；
插值点二，X＝98.827699，Y＝-59.756319；
插值点三，X＝94.547509，Y＝-51.797797；
插值点四，X＝89.092606，Y＝-46.751958，斜率为-1.4482；
B样条曲线B2C2：
插值点一，X＝89.092606，Y＝-46.751958,斜率为-1.4482；
插值点二，X＝81.822363，Y＝-40.932989；
插值点三，X＝75.109067，Y＝-33.466764；
插值点四，X＝71.502577，Y＝-28.00，斜率为-0.5789；
B样条曲线C2D2：
插值点一，X＝71.502577，Y＝-28.00，斜率为-0.5789；
插值点二，X＝66.445263，Y＝-16.367351；
插值点三，X＝64.049807，Y＝-2.361347；
插值点四，X＝64.866451，Y＝9.812840，斜率为0.1751；
圆弧D2E2：
顺时针顺序，起点X＝64.866451，Y＝9.812840,终点X＝95.570578，Y＝43.114041，半径为68.1642；
圆弧E2F2:
顺时针顺序，起点X＝95.570578，Y＝43.114041，终点X＝110.481630，Y＝46.838119，半径为32；
“点-摆线”F2G2:
阴转子起点X＝110.481630，Y＝46.838119；阳转子起点X＝88.684597，Y＝46.301321；
节圆圆弧G2H2:
逆时针顺序，起点X＝110.481630，Y＝46.838119；终点X＝109.600724，Y＝48.863905。
2.根据权利要求1所述的一种双螺杆压缩机转子型线，其特征在于：B样条曲线C2D2终止位置保护角为10°。
3.根据权利要求1或2所述的一种双螺杆压缩机转子型线，其特征在于：阴阳转子齿数比为6：5，两转子中心距确定为220mm。
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