CN109356659B - 一种双螺杆膨胀机的锥形螺杆转子 - Google Patents

一种双螺杆膨胀机的锥形螺杆转子 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双螺杆膨胀机的锥形螺杆转子，左螺杆转子(1)和右螺杆转子(2)呈线性锥形，齿数比为7:5；从进气端(Ⅰ‑Ⅰ)到排气端(Ⅸ‑Ⅸ)，左螺杆转子(1)和右螺杆转子(2)的外径逐渐增大，齿高逐渐增大，螺距逐渐增大，中心距保持不变；左螺杆转子(1)的左截面型线(101)和右螺杆转子(2)的右截面型线(201)在任意轴向位置处都不相同，但两截面型线组成曲线的类型和数目不变，且相邻两段曲线之间光滑连接；左螺杆转子(1)和右螺杆转子(2)能够实现正确的啮合，同时所形成的工作腔容积从进气端(Ⅰ‑Ⅰ)到排气端(Ⅸ‑Ⅸ)逐渐增大；所提出的锥形螺杆转子具有较大的内容积比和膨胀比，其适用范围和领域更广。

Description

一种双螺杆膨胀机的锥形螺杆转子
技术领域
本发明涉及双螺杆膨胀机，特别涉及一种适用于双螺杆膨胀机的锥形螺杆转子。
背景技术
双螺杆膨胀机是一种容积式膨胀机，具有组成零部件少、可靠性高和扭矩输出平稳的特点，被广泛应用于工业余热发电、地热能热发电和太阳能热发电的领域；双螺杆膨胀机的核心部件是一对相互啮合的螺杆转子，在异步双回转运动中形成周期性变化的工作腔容积，实现工作介质的进入、膨胀和排出过程，由此工作介质的内能转化为机械能；螺杆转子及其截面型线的几何特性，直接决定了双螺杆膨胀机内容积比的大小，对双螺杆膨胀机的工作性能起到至关重要的影响。
中国专利，公布号CN206129323U，公开了一种用于低温余热回收系统的双螺杆膨胀机；该双螺杆膨胀机的特点是：双螺杆膨胀机的螺杆转子是等螺距的，并且在不同轴向位置处各截面的端面型线不变，因而该双螺杆膨胀机的内容积比小、膨胀比小；中国专利，公布号CN204024716U公开了一种双螺杆膨胀机，该双螺杆膨胀机的特点是：其螺杆转子根部整体呈锥形，工作腔容积设计成逐渐变大的形式，但是该螺杆转子由于仅齿根圆半径减小，而齿顶圆半径不变，其型线啮合性较差，工作中气体泄漏严重。
发明内容
为了提高双螺杆膨胀机的内容积比和膨胀比，本发明提出一种双螺杆膨胀机的锥形螺杆转子，包括左螺杆转子(1)和右螺杆转子(2)；两螺杆转子呈线性锥形，从进气端(Ⅰ-Ⅰ)到排气端(Ⅸ-Ⅸ)，左螺杆转子(1)的左截面型线(101)和右螺杆转子(2)的右截面型线(201)都连续变化，但是在任意轴向位置处两截面型线组成曲线的类型和数目不变，中心距保持不变，且都能实现正确的啮合；两螺杆转子的螺距变化方式为变螺距；从进气端(Ⅰ-Ⅰ)到排气端(Ⅸ-Ⅸ)，螺杆转子工作腔容积逐渐增大，具有较大的内容积比和膨胀比，在工作过程中能够使内能更大程度地转化为机械能；两螺杆转子所采用的截面型线是完全光滑的，消除不光滑连接点的不良影响，改善了螺杆转子的受力特性，所提出的一种双螺杆膨胀机的锥形螺杆转子，对于扩大双螺杆膨胀机的适用范围和领域以及提高双螺杆膨胀机的工作性能具有重要的意义。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双螺杆膨胀机的锥形螺杆转子，包括左螺杆转子(1)和右螺杆转子(2)，左螺杆转子(1)和右螺杆转子(2)呈线性锥形，齿数比为7:5；从进气端(Ⅰ-Ⅰ)到排气端(Ⅸ-Ⅸ)，左螺杆转子(1)和右螺杆转子(2)的外径逐渐增大，齿根逐渐减小，齿高逐渐增大，螺距逐渐增大，但是两螺杆转子的中心距不变；左螺杆转子(1)的左截面型线(101)上的齿型包括5段曲线，分别为：第一连接圆弧AB、第一摆线等距曲线BC、第二摆线等距曲线CD、第二连接圆弧DE和左齿顶圆弧EF，齿型对称，齿数为7，相邻两段曲线之间光滑连接；左截面型线(101)上不存在不光滑连接点，且都在节圆以内；从进气端(Ⅰ-Ⅰ)到排气端(Ⅸ-Ⅸ)，左螺杆转子(1)的左截面型线(101)上的左齿顶圆半径R1a逐渐增大，左齿根圆半径R1c逐渐减小，左齿顶圆半径R1a和左齿根圆半径R1c随左螺旋展开角τ1的变化而连续变化，满足以下方程：
式中：R1as、R1ad—分别为左截面型线(101)在进气端(Ⅰ-Ⅰ)和排气端(Ⅸ-Ⅸ)处的齿顶圆半径，mm；R1cs、R1cd—分别为左截面型线(101)在进气端(Ⅰ-Ⅰ)和排气端(Ⅸ-Ⅸ)处的齿根圆半径，mm；k1、k2—变螺距参数；n—螺距数；
在任意轴向位置处，左螺杆转子(1)的左截面型线(101)上的左节圆半径R1b、第一连接圆弧AB半径R1d和第二连接圆弧DE半径R1e不变，且满足：
R1d＝c1
R1e＝c2
式中：A—两螺杆转子的中心距，mm；c1、c2—常量，mm；
右螺杆转子(2)的右截面型线(201)上的齿型包括5段曲线，分别为：第三摆线等距曲线GH、第三连接圆弧HI、第四连接圆弧IJ、第四摆线等距曲线JK和右齿根圆弧KL，齿型对称，齿数为5，相邻两段组成曲线完全光滑连接；右截面型线(201)上不存在不光滑连接点，且都在节圆以外；右螺杆转子(2)的右截面型线(201)上的右齿顶圆半径R2a、右齿根圆半径R2c随左螺杆转子(1)的左截面型线(101)的变化而连续变化，满足以下方程：
R2a(τ1)＝A-R1c(τ1)
R2c(τ1)＝A-R1a(τ1)
在任意轴向位置处，右螺杆转子(2)的右截面型线(201)上的右节圆半径R2b、第三连接圆弧HI半径R2f和第四连接圆弧IJ半径R2g不变，且满足：
R2f＝c3
R2g＝c4
式中：c3、c4—常量，mm。
所述的一种双螺杆膨胀机的锥形螺杆转子，在左螺杆转子(1)和右螺杆转子(2)的传动比为5:7的异向双回转运动中，在任意轴向位置处，左螺杆转子(1)的左截面型线(101)和右螺杆转子(2)的右截面型线(201)都能够实现正确的啮合；左螺杆转子(1)的左截面型线(101)上的第一连接圆弧AB、第一摆线等距曲线BC、第二摆线等距曲线CD、第二连接圆弧DE、左齿顶圆弧EF，分别与右螺杆转子(2)的右截面型线(201)上的第三摆线等距曲线GH、第三连接圆弧HI、第四连接圆弧IJ、第四摆线等距曲线JK和右齿根圆弧KL能够实现正确的啮合。
所述的一种双螺杆膨胀机的锥形螺杆转子，左螺杆转子(1)是由左截面型线(101)从进气端(Ⅰ-Ⅰ)到排气端(Ⅸ-Ⅸ)沿左变螺距螺旋线展开形成的；以左螺杆转子(1)的回转中心线与进气端(Ⅰ-Ⅰ)所在平面的交点为坐标原点，以回转中心线为z轴，建立三维坐标系，左变螺距螺旋线的方程为：
式中：τ1—左螺旋展开角，rad；R1—左变螺距螺旋线基圆半径，mm
右螺杆转子(2)由右截面型线(201)从进气端(Ⅰ-Ⅰ)到排气端(Ⅸ-Ⅸ)沿右变螺距螺旋线展开形成的；以右螺杆转子(2)的回转中心线与进气端(Ⅰ-Ⅰ)所在平面的交点为坐标原点，以回转中心线为z轴，建立三维坐标系，右变螺距螺旋线的方程为：
式中：τ2—右螺旋展开角，rad，在同一轴向位置处，满足R2—右变螺距螺旋线基圆半径，mm。
一种双螺杆膨胀机，使用所述的一种双螺杆膨胀机的锥形螺杆转子。
一种双螺杆压缩机，使用所述的一种双螺杆膨胀机的锥形螺杆转子。
本发明的有益效果为：
①所提出的一种双螺杆膨胀机的锥形螺杆转子，从进气端(Ⅰ-Ⅰ)到排气端(Ⅸ-Ⅸ)，两螺杆转子呈线性锥形，螺距变化方式为变螺距，两螺杆转子在啮合时所形成的工作腔沿轴向和径向都变化，使得所形成的封闭工作腔容积在进气端最小，逐渐增大，在排气端最大，能够最大限度的提高螺杆转子的内容积比，拓宽了双螺杆膨胀机的应用范围和领域；
②两螺杆转子在任意轴向位置处的截面型线都是全光滑的，且都能实现正确的啮合，在啮合时为面与面的接触，改善了螺杆转子的受力特性；
③两螺杆转子呈线性锥形，但中心距不变，两螺杆转子中心线平行布置，便于安装。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1为左螺杆转子(1)的左截面型线(101)组成曲线图。
图2为右螺杆转子(2)的右截面型线(201)组成曲线图。
图3为左截面型线(101)和右截面型线(201)啮合关系图。
图4为工作时左螺杆转子(1)和右螺杆转子(2)啮合图。
图5为工作时左螺杆转子(1)和右螺杆转子(2)啮合剖面图。
图6为工作时左螺杆转子(1)和右螺杆转子(2)三维啮合图。
图7为在Ⅰ-Ⅰ轴向位置处左截面型线(101)和右截面型线(201)啮合图。
图8为在Ⅱ-Ⅱ轴向位置处左截面型线(101)和右截面型线(201)啮合图。
图9为在Ⅲ-Ⅲ轴向位置处左截面型线(101)和右截面型线(201)啮合图。
图10为在Ⅳ-Ⅳ轴向位置处左截面型线(101)和右截面型线(201)啮合图。
图11为在Ⅴ-Ⅴ轴向位置处左截面型线(101)和右截面型线(201)啮合图。
图12为在Ⅵ-Ⅵ轴向位置处左截面型线(101)和右截面型线(201)啮合图。
图13为在Ⅶ-Ⅶ轴向位置处左截面型线(101)和右截面型线(201)啮合图。
图14为在Ⅷ-Ⅷ轴向位置处左截面型线(101)和右截面型线(201)啮合图。
图15为在Ⅸ-Ⅸ轴向位置处左截面型线(101)和右截面型线(201)啮合图。
图中：R1a—左齿顶圆半径；R1b—左节圆半径；R1c—左齿根圆半径；R1d—第一连接圆弧AB半径；R1e—第二连接圆弧DE半径；R2a—右齿顶圆半径；R2b—右节圆半径；R2c—右齿根圆半径；R2f—第三连接圆弧HI半径；R2g—第四连接圆弧IJ半径；P1—第一螺距；P2—第二螺距；P3—第三螺距；P4—第四螺距；1—左螺杆转子；2—右螺杆转子；101—左截面型线；201—右截面型线；点O1、点O2—分别为两截面型线的回转中心点，所在的轴线分别为两螺杆转子的回转中心线。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，为左螺杆转子(1)的左截面型线(101)组成曲线图；左螺杆转子(1)的左截面型线(101)上的齿型包括5段曲线，分别为：第一连接圆弧AB、第一摆线等距曲线BC、第二摆线等距曲线CD、第二连接圆弧DE和左齿顶圆弧EF，齿型对称，齿数为7，相邻两段曲线之间光滑连接；左截面型线(101)上不存在不光滑连接点，且都在节圆以内。
如图2所示，为右螺杆转子(2)的右截面型线(201)组成曲线图；右螺杆转子(2)的右截面型线(201)上的齿型包括5段曲线，分别为：第三摆线等距曲线GH、第三连接圆弧HI、第四连接圆弧IJ、第四摆线等距曲线JK和右齿根圆弧KL，齿型对称，齿数为5，相邻两段组成曲线完全光滑连接；右截面型线(201)上不存在不光滑连接点，且都在节圆以外。
如图3所示，为左截面型线(101)和右截面型线(201)啮合关系图；在左螺杆转子(1)和右螺杆转子(2)的传动比为5:7的异向双回转运动中，在任意轴向位置处，左螺杆转子(1)的左截面型线(101)和右螺杆转子(2)的右截面型线(201)都能够实现正确的啮合；左螺杆转子(1)的左截面型线(101)上的第一连接圆弧AB、第一摆线等距曲线BC、第二摆线等距曲线CD、第二连接圆弧DE、左齿顶圆弧EF，分别与右螺杆转子(2)的右截面型线(201)上的第三摆线等距曲线GH、第三连接圆弧HI、第四连接圆弧IJ、第四摆线等距曲线JK和右齿根圆弧KL能够实现正确的啮合。
如图4、图5和图6所示，分别为工作时左螺杆转子(1)和右螺杆转子(2)啮合图、工作时左螺杆转子(1)和右螺杆转子(2)啮合剖面图以及工作时左螺杆转子(1)和右螺杆转子(2)三维啮合图；Ⅰ-Ⅰ和Ⅸ-Ⅸ分别表示螺杆转子进气端和排气端对应的轴向位置；左螺杆转子(1)和右螺杆转子(2)呈线性锥形，齿数比为7:5；从进气端(Ⅰ-Ⅰ)到排气端(Ⅸ-Ⅸ)，左螺杆转子(1)和右螺杆转子(2)的外径逐渐增大，齿根逐渐减小，齿高逐渐增大，螺距逐渐增大，但是两螺杆转子的中心距不变；从进气端(Ⅰ-Ⅰ)到排气端(Ⅸ-Ⅸ)，左螺杆转子(1)的左截面型线(101)和右螺杆转子(2)的右截面型线(201)都连续变化，但是在任意轴向位置处两截面型线组成曲线的类型和数目不变；左螺杆转子(1)是由左截面型线(101)从进气端(Ⅰ-Ⅰ)到排气端(Ⅸ-Ⅸ)沿左变螺距螺旋线展开形成的；以左螺杆转子(1)的回转中心线与进气端(Ⅰ-Ⅰ)所在平面的交点为坐标原点，以回转中心线为z轴，建立三维坐标系，左变螺距螺旋线的方程为：
式中：τ1—左螺旋展开角，rad；R1—左变螺距螺旋线基圆半径，mm
右螺杆转子(2)由右截面型线(201)从进气端(Ⅰ-Ⅰ)到排气端(Ⅸ-Ⅸ)沿右变螺距螺旋线展开形成的；以右螺杆转子(2)的回转中心线与进气端(Ⅰ-Ⅰ)所在平面的交点为坐标原点，以回转中心线为z轴，建立三维坐标系，右变螺距螺旋线的方程为：
式中：τ2—右螺旋展开角，rad，在同一轴向位置处，满足R2—右变螺距螺旋线基圆半径，mm；
因为变螺距螺旋线的螺距从进气端(Ⅰ-Ⅰ)到排气端(Ⅸ-Ⅸ)逐渐增大，所以生成的螺杆转子的螺距(P1、P2、P3、P4)也逐渐增大，即P4>P3>P2>P1。
如图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14和图15所示，分别为在Ⅰ-Ⅰ轴向位置处左截面型线(101)和右截面型线(201)啮合图、在Ⅱ-Ⅱ轴向位置处左截面型线(101)和右截面型线(201)啮合图、在Ⅲ-Ⅲ轴向位置处左截面型线(101)和右截面型线(201)啮合图、在Ⅳ-Ⅳ轴向位置处左截面型线(101)和右截面型线(201)啮合图、在Ⅴ-Ⅴ轴向位置处左截面型线(101)和右截面型线(201)啮合图、在Ⅵ-Ⅵ轴向位置处左截面型线(101)和右截面型线(201)啮合图、在Ⅶ-Ⅶ轴向位置处左截面型线(101)和右截面型线(201)啮合图、在Ⅷ-Ⅷ轴向位置处左截面型线(101)和右截面型线(201)啮合图和在Ⅸ-Ⅸ轴向位置处左截面型线(101)和右截面型线(201)啮合图；从进气端(Ⅰ-Ⅰ)到排气端(Ⅸ-Ⅸ)，左螺杆转子(1)的左截面型线(101)上的左齿顶圆半径R1a逐渐增大，左齿根圆半径R1c逐渐减小，左齿顶圆半径R1a和左齿根圆半径R1c随左螺旋展开角τ1的变化而连续变化，满足以下方程：
式中：R1as、R1ad—分别为左截面型线(101)在进气端(Ⅰ-Ⅰ)和排气端(Ⅸ-Ⅸ)处的齿顶圆半径，mm；R1cs、R1cd—分别为左截面型线(101)在进气端(Ⅰ-Ⅰ)和排气端(Ⅸ-Ⅸ)处的齿根圆半径，mm；k1、k2—变螺距参数；n—螺距数；
在任意轴向位置处，左螺杆转子(1)的左截面型线(101)上的左节圆半径R1b、第一连接圆弧AB半径R1d和第二连接圆弧DE半径R1e不变，且满足：
R1d＝c1
R1e＝c2
式中：A—两螺杆转子的中心距，mm；c1、c2—常量，mm；
右螺杆转子(2)的右截面型线(201)上的右齿顶圆半径R2a、右齿根圆半径R2c随左螺杆转子(1)的左截面型线(101)的变化而连续变化，满足以下方程：
R2a(τ1)＝A-R1c(τ1)
R2c(τ1)＝A-R1a(τ1)
在任意轴向位置处，右螺杆转子(2)的右截面型线(201)上的右节圆半径R2b、第三连接圆弧HI半径R2f和第四连接圆弧IJ半径R2g不变，且满足：
R2f＝c3
R2g＝c4
式中：c3、c4—常量，mm。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种双螺杆膨胀机的锥形螺杆转子，包括左螺杆转子(1)和右螺杆转子(2)，其特征是：左螺杆转子(1)和右螺杆转子(2)呈线性锥形，齿数比为7:5；从进气端(Ⅰ-Ⅰ)到排气端(Ⅸ-Ⅸ)，左螺杆转子(1)和右螺杆转子(2)的外径逐渐增大，齿根逐渐减小，齿高逐渐增大，螺距逐渐增大，但是两螺杆转子的中心距不变；从进气端(Ⅰ-Ⅰ)到排气端(Ⅸ-Ⅸ)，左螺杆转子(1)的左截面型线(101)和右螺杆转子(2)的右截面型线(201)都连续变化，但是在任意轴向位置处两截面型线组成曲线的类型和数目不变；左螺杆转子(1)的左截面型线(101)上的齿型包括5段曲线，分别为：第一连接圆弧AB、第一摆线等距曲线BC、第二摆线等距曲线CD、第二连接圆弧DE和左齿顶圆弧EF，齿型对称，齿数为7，相邻两段曲线之间光滑连接；左截面型线(101)上不存在不光滑连接点，且都在节圆以内；从进气端(Ⅰ-Ⅰ)到排气端(Ⅸ-Ⅸ)，左螺杆转子(1)的左截面型线(101)上的左齿顶圆半径R1a逐渐增大，左齿根圆半径R1c逐渐减小，左齿顶圆半径R1a和左齿根圆半径R1c随左螺旋展开角τ1的变化而连续变化，满足以下方程：
式中：R1as、R1ad—分别为左截面型线(101)在进气端(Ⅰ-Ⅰ)和排气端(Ⅸ-Ⅸ)处的齿顶圆半径，mm；R1cs、R1cd—分别为左截面型线(101)在进气端(Ⅰ-Ⅰ)和排气端(Ⅸ-Ⅸ)处的齿根圆半径，mm；k1、k2—变螺距参数；n—螺距数；
在任意轴向位置处，左螺杆转子(1)的左截面型线(101)上的左节圆半径R1b、第一连接圆弧AB半径R1d和第二连接圆弧DE半径R1e不变，且满足：
R1d＝c1
R1e＝c2
式中：A—两螺杆转子的中心距，mm；c1、c2—常量，mm；
右螺杆转子(2)的右截面型线(201)上的齿型包括5段曲线，分别为：第三摆线等距曲线GH、第三连接圆弧HI、第四连接圆弧IJ、第四摆线等距曲线JK和右齿根圆弧KL，齿型对称，齿数为5，相邻两段组成曲线完全光滑连接；右截面型线(201)上不存在不光滑连接点，且都在节圆以外；右螺杆转子(2)的右截面型线(201)上的右齿顶圆半径R2a、右齿根圆半径R2c随左螺杆转子(1)的左截面型线(101)的变化而连续变化，满足以下方程：
R2a(τ1)＝A-R1c(τ1)
R2c(τ1)＝A-R1a(τ1)
在任意轴向位置处，右螺杆转子(2)的右截面型线(201)上的右节圆半径R2b、第三连接圆弧HI半径R2f和第四连接圆弧IJ半径R2g保持不变，为：
R2f＝c3
R2g＝c4
式中：c3、c4—常量，mm。
2.如权利要求1所述的一种双螺杆膨胀机的锥形螺杆转子，其特征是：在左螺杆转子(1)和右螺杆转子(2)的传动比为5:7的异向双回转运动中，在任意轴向位置处，左螺杆转子(1)的左截面型线(101)和右螺杆转子(2)的右截面型线(201)都能够实现正确的啮合；左螺杆转子(1)的左截面型线(101)上的第一连接圆弧AB、第一摆线等距曲线BC、第二摆线等距曲线CD、第二连接圆弧DE、左齿顶圆弧EF，分别与右螺杆转子(2)的右截面型线(201)上的第三摆线等距曲线GH、第三连接圆弧HI、第四连接圆弧IJ、第四摆线等距曲线JK和右齿根圆弧KL能够实现正确的啮合。
3.如权利要求1所述的一种双螺杆膨胀机的锥形螺杆转子，其特征是：左螺杆转子(1)是由左截面型线(101)从进气端(Ⅰ-Ⅰ)到排气端(Ⅸ-Ⅸ)沿左变螺距螺旋线展开形成的；以左螺杆转子(1)的回转中心线与进气端(Ⅰ-Ⅰ)所在平面的交点为坐标原点，以回转中心线为z轴，建立三维坐标系，左变螺距螺旋线的方程为：
式中：τ1—左螺旋展开角，rad；R1—左变螺距螺旋线基圆半径，mm
右螺杆转子(2)由右截面型线(201)从进气端(Ⅰ-Ⅰ)到排气端(Ⅸ-Ⅸ)沿右变螺距螺旋线展开形成的；以右螺杆转子(2)的回转中心线与进气端(Ⅰ-Ⅰ)所在平面的交点为坐标原点，以回转中心线为z轴，建立三维坐标系，右变螺距螺旋线的方程为：
式中：τ2—右螺旋展开角，rad，在同一轴向位置处，满足R2—右变螺距螺旋线基圆半径，mm。
4.一种双螺杆膨胀机，其特征是：使用如权利要求1所述的一种双螺杆膨胀机的锥形螺杆转子。
5.一种双螺杆压缩机，其特征是：使用如权利要求1所述的一种双螺杆膨胀机的锥形螺杆转子。
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