CN109630409B - 一种具有高有效容积率的椭圆弧型罗茨泵转子 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高有效容积率的椭圆弧型罗茨泵转子，包括转子本体，转子本体的半叶型线由七段曲线首尾光滑连接组成，依次为峰顶同心圆弧段、工艺圆弧段、过渡椭圆弧段、工作椭圆弧段、工作椭圆弧段的谷部共轭段、顶宽点的谷部共轭段及顶同心圆弧的谷部共轭段。本发明既可保证转子型线的形状系数最大化，还可以保证转子顶宽的径向泄露、工作区的泄露最小化，从而实现罗茨泵高有效容积率的目的。

Description

一种具有高有效容积率的椭圆弧型罗茨泵转子

技术领域

本发明属于罗茨泵转子技术领域，具体涉及一种具有高有效容积率的椭圆弧型罗茨泵转子。

背景技术

罗茨泵是一种回转式容积泵，工作原理类似于齿轮泵，具有原理简单、体积小、重量轻、成本低、密封性好、无污染等特点，广泛应用于介质输送、抽真空、鼓风等方面。由理论容积率和实际泄漏率所决定的有效容积率是决定泵性能的最重要因素。其中，转子型线的形状系数直接决定了理论容积率的大小；转子顶部径向和工作区的密封效果，直接决定了实际泄漏率的大小，因此罗茨转子型线的合理设计是至关重要的。

依据应用场合的不同，转子型线可采用圆弧、渐开线、摆线、直线等多种线型或彼此间的组合线型，却无任何椭圆弧转子型线的相关文献报道。其中，在目前所见的转子中，圆弧转子最为常见，其形状系数也最大，二叶转子时为1.67，三叶转子时为1.48。鉴于此，从高产(转子型线的形状系数最大化)与低漏(转子顶宽的径向泄漏和工作区的泄漏最小化)两个方面，提出一类(二叶、三叶)更具高有效容积率的椭圆弧型罗茨泵转子。

发明内容

本发明针对背景技术中的不足，提供了一种具有高有效容积率的椭圆弧型罗茨泵转子，通过本发明既可保证转子型线的形状系数最大化，还可以保证转子顶宽的径向泄露、工作区的泄露最小化，从而实现罗茨泵高有效容积率的目的。

为实现上述目的，本发明技术解决方案如下：

一种具有高有效容积率的椭圆弧型罗茨泵转子，包括转子本体，转子本体的半叶型线由七段曲线首尾光滑连接组成，依次为峰顶同心圆弧段、工艺圆弧段、过渡椭圆弧段、工作椭圆弧段、工作椭圆弧段的谷部共轭段、顶宽点的谷部共轭段及顶同心圆弧的谷部共轭段。

所述峰顶同心圆弧段是以转子本体中心o ₁为圆心，以rε ^**为半径，以圆心角为τ的圆弧，其中，r为已知的节圆半径，ε ^**为具有高有效容积率的椭圆弧型罗茨泵转子取其最大的形状系数，ε ^**由τ的具体值和主、从动转子刚刚进入啮合时的位置来确定。

所述过渡椭圆弧段、工作椭圆弧段的大小和位置由长轴半长a、短轴半长e ^* a、中心rε ^*-a所确定的椭圆弧确定，其中，由节圆上的几何关系，即短轴半长e ^* a=rcos(0.5π/N)，得a=[rcos(0.5π/N)]/e ^* ，N为转子的叶数，e ^* 为普通椭圆弧型转子取其最大的形状系数ε ^*时所对应的椭圆的短轴与长轴的轴长比，e ^* 由工作椭圆弧段的谷部共轭段的无拐点条件来确定。

所述工作椭圆弧段的谷部共轭段是与工作椭圆弧段的共轭曲线段。

所述工艺圆弧段是由线段o ₁ k与过渡椭圆弧段间的相切倒圆弧，其中，倒圆的半径为r(ε ^**- ε ^*)，ε ^*为普通椭圆弧型转子的最大形状系数，k点为顶宽点，即峰顶同心圆弧段靠近过渡椭圆弧段的一端端点。

所述顶宽点的谷部共轭段为由顶宽点k点利用共轭关系所确定的共轭曲线。

所述顶同心圆弧的谷部共轭段是与峰顶同心圆弧段共轭的曲线段。

相对于现有技术，本发明有益效果如下：

本发明转子所构建出的创新型线，一方面可大幅度提高转子的形状系数，由2叶圆弧型转子的1.67和3叶的1.48，提高到具有4°峰顶弧圆心角下的1.76和1.62，高产效果明显；另一方面避免了圆弧型转子的窄顶径向密封和工作区单点密封的状况，防漏效果明显；与同形状系数的圆弧型转子相比，本发明转子能有效降低峰部质量，缓解转子系统的动不平衡和降低振动故障。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1为现有技术中具有最大形状系数的圆弧、普通椭圆弧型转子与本发明椭圆弧型转子型线的结构示意图；

图2为一对本发明椭圆弧型转子（即主动转子和从动转子）刚刚进入啮合时的位置示意图；

图3为峰顶宽径向密封和工作区双点密封的结构示意图；

图中：1、峰顶同心圆弧段，2、工艺圆弧段，3、过渡椭圆弧段，4、工作椭圆弧段，5、工作椭圆弧段的谷部共轭段，6、顶宽点的谷部共轭段，7、顶同心圆弧的谷部共轭段。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

实施例

如图1所示，一种具有高有效容积率的椭圆弧型罗茨泵转子，包括转子本体，转子本体的半叶型线由七段曲线首尾光滑连接组成，依次为峰顶同心圆弧段1、工艺圆弧段2、过渡椭圆弧段3、工作椭圆弧段4、工作椭圆弧段的谷部共轭段5、顶宽点的谷部共轭段6及顶同心圆弧的谷部共轭段7。转子本体的半叶型线中无峰顶同心圆弧段1的椭圆弧转子即为现有技术中的普通椭圆弧型转子，其中，由工作椭圆弧段的谷部共轭段5的无拐点条件决定普通椭圆弧型转子的形状系数，再在普通椭圆弧型转子型线的基础上，通过在峰顶增加一段同心的圆弧段，即峰顶同心圆弧段1，从而构建出具有高有效容积率的椭圆弧型罗茨泵转子的型线。

设转子本体的中心为o ₁，已知的节圆半径为r，转子的叶数为N，圆心为o _t ，长轴半长为a，普通椭圆弧型转子取其最大的形状系数ε ^*，对应的短轴与长轴的轴长比为e ^*，具有高有效容积率的椭圆弧型罗茨泵转子取其最大的形状系数ε ^**。

首先，由谷部共轭段5的无拐点条件决定ε ^*。记e为普通椭圆的短轴与长轴的轴长比，则取e=0.65~1.00下的不同值时，对应的最大形状系数ε ^*(e)和a(e)/r，如表1所示。其中，当e=1时，普通椭圆弧型转子为常见的圆弧型转子，ε ^*(N=2,e=1)=1.67，ε ^*(N=3,e=1)=1.48，与现有文献给出的结果完全一致。

N=2时，最佳的轴长比为e ^* ≈0.9，ε ^*(e ^* )=1.69，ε ^*(e ^* )较圆弧型转子的ε ^*(e=1)提高了(1.69-1.67)/1.67=1.2%；N=3时，e ^* ≈0.75，ε ^*(e ^* )=1.52，ε ^*(e ^* )提高了(1.52-1.48)/1.48=2.7%。

表1ε ^*(e)和a(e)/r的变化规律

其次，基于e ^*和ε ^* 的普通椭圆弧型转子，本发明的具有高有效容积率的椭圆弧型转子的ε ^**再在椭圆弧型转子刚刚进入啮合时的位置下，由从动转子o ₂上的顶宽点k恰好完全避开主动转子上工作椭圆弧段的谷部共轭段的端点来确定，如图2所示。

τ=2°~5°下的ε ^**(τ)，如表2所示。以τ=2°为例，N=2时ε ^** 较ε ^* 又提高了(1.763-1.69)/1.69=4.3%，较圆弧型转子总共提高了(1.763-1.67)/1.67=5.6%；N=3时又提高了(1.618-1.52)/1.52=6.4%，总共提高了(1.618-1.48)/1.48=9.3%。

表2 ε ^**(τ)的变化规律

峰顶同心圆弧段1是以转子本体中心o ₁为圆心，以rε ^**为半径，以圆心角为τ的圆弧，所对应的转子叶的整个峰顶弧的圆心角为2τ，其中，r为节圆半径，ε ^**为具有高有效容积率的椭圆弧型罗茨泵转子的最大形状系数，ε ^**由τ的具体值和一对高有效容积率的椭圆弧型罗茨泵转子（即主动转子与从动转子）相互啮合且刚刚进入啮合时的位置来确定，且ε ^**随τ具有递减规律，τ为由转子径向泄漏的控制所确定的已知值。

过渡椭圆弧段、工作椭圆弧段的大小和位置由长轴半长a、短轴半长e ^* a、中心rε ^*-a所确定的椭圆弧确定，其中，由节圆上的几何关系，即短轴半长e ^* a=rcos(0.5π/N)，得a=[rcos(0.5π/N)]/e ^* ，N为转子的叶数，e ^* 为普通椭圆弧型转子具有最大形状系数ε ^*时所对应的椭圆的短轴与长轴的轴长比，e ^* 由工作椭圆弧段的谷部共轭段5的无拐点条件来确定；

工作椭圆弧段的谷部共轭段5是与工作椭圆弧段4的共轭曲线段。

工艺圆弧段2是由线段o ₁ k与过渡椭圆弧段3间的倒圆弧，其中，倒圆的半径为r(ε ^**- ε ^*)，由2个相切条件和倒圆半径可唯一确定工艺圆弧段2的形状与位置，ε ^*为普通椭圆弧型转子的最大形状系数，k点为顶宽点，即峰顶同心圆弧段1靠近过渡椭圆弧段3的一端端点。

顶宽点的谷部共轭段6为由顶宽点k点利用共轭关系所确定的共轭曲线。

顶同心圆弧的谷部共轭段7是与峰顶同心圆弧段1的共轭曲线段。

本发明的具有高有效容积率的椭圆弧型罗茨泵转子大幅度提高转子的形状系数，当N=2时，e ^*=0.90，具有高有效容积率的椭圆弧型罗茨泵转子的最大形状系数ε ^**(τ=2°)为1.76，从圆弧型转子的1.67提高到4°顶宽圆心角下的1.76；当N=3时，e ^*=0.75，具有高有效容积率的椭圆弧型罗茨泵转子的最大形状系数ε ^**(τ=2°)为1.62，从圆弧型转子的1.48提高到4°顶宽圆心角下的1.62。

本发明的具有高有效容积率的椭圆弧型罗茨泵转子避免了圆弧型转子的窄顶径向密封和工作区单点密封的状况，防漏效果明显，如图3所示；相比同形状系数的圆弧型转子，具有高有效容积率的椭圆弧型罗茨泵转子能有效降低峰部质量，缓解转子系统的动不平衡和降低振动故障，如图1中的型线对比。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (1)

1.一种具有高有效容积率的椭圆弧型罗茨泵转子，包括转子本体，其特征在于：转子本体的半叶型线由七段曲线首尾光滑连接组成，依次为峰顶同心圆弧段、工艺圆弧段、过渡椭圆弧段、工作椭圆弧段、工作椭圆弧段的谷部共轭段、顶宽点的谷部共轭段及顶同心圆弧的谷部共轭段；

所述峰顶同心圆弧段是以转子本体中心o ₁为圆心，以rε ^**为半径，以圆心角为τ的圆弧，其中，r为已知的节圆半径，ε ^**为具有高有效容积率的椭圆弧型罗茨泵转子取其最大的形状系数，ε ^**由τ的具体值和主、从动转子刚刚进入啮合时的位置来确定；

所述过渡椭圆弧段、工作椭圆弧段的大小和位置由长轴半长a、短轴半长e ^* a、中心rε ^*-a所确定的椭圆弧确定，其中，由节圆上的几何关系，即短轴半长e ^* a=rcos(0.5π/N)，得a=[rcos(0.5π/N)]/e ^* ，r为已知的节圆半径，N为转子的叶数，e ^* 为普通椭圆弧型转子取其最大的形状系数ε ^*时所对应的椭圆的短轴与长轴的轴长比，e ^* 由工作椭圆弧段的谷部共轭段的无拐点条件来确定；

所述工作椭圆弧段的谷部共轭段是与工作椭圆弧段的共轭曲线段；

所述工艺圆弧段是由线段o ₁ k与过渡椭圆弧段间的相切倒圆弧，其中，倒圆的半径为r(ε ^**- ε ^*)，ε ^*为普通椭圆弧型转子的最大形状系数，k点为顶宽点，即峰顶同心圆弧段靠近过渡椭圆弧段的一端端点，o ₁为转子本体中心，r为已知的节圆半径，ε ^**为具有高有效容积率的椭圆弧型罗茨泵转子取其最大的形状系数；

所述顶宽点的谷部共轭段为由顶宽点k点利用共轭关系所确定的共轭曲线；

所述顶同心圆弧的谷部共轭段是与峰顶同心圆弧段共轭的曲线段。

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