CN110067600B - 一种涡旋膨胀机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了膨胀机领域的一种涡旋膨胀机，旨在解决高温条件下涡旋膨胀机排气阻力大，工作腔温度上升，涡旋齿的热变形增加的技术问题。一种涡旋膨胀机，所述涡旋膨胀机的涡旋型线为变基圆半径渐开线。选用定基圆半径渐开线型涡旋膨胀机作为原型机，保持涡旋齿齿高、涡旋齿展开角、齿头修正参数及初始基圆半径不变的情况下，按照变基圆半径渐开型线加工涡旋齿。与原膨胀机相比，改善了背压腔内流动，降低了动、静涡旋齿的温度，减弱了吸气集气室对工作腔的加热作用，涡旋齿变形量下降。

Description

一种涡旋膨胀机
技术领域
本发明属于膨胀机技术领域，具体涉及一种涡旋膨胀机。
背景技术
涡旋膨胀机以其运转平稳、噪声低、效率高、结构紧凑及可靠性好等突出优点和小流量、高膨胀比的运行工况要求，成为车用发动机有机朗肯循环余热回收系统中较好的做功部件。虽然涡旋机械作为压缩机在制冷领域的技术应用已较为成熟，但对涡旋膨胀机的应用研究仍很欠缺，尚无成熟的产品，大多数涡旋膨胀机由涡旋压缩机改装而成。在实际工作过程中，即使是设计良好的涡旋压缩机改装为膨胀机，由于摩擦、泄漏、内部流动损失及热传递等因素的影响，涡旋膨胀机的实际工作过程与理论过程相比存在较大差异。其中，膨胀机机械摩擦损失的主要来源之一是动、静涡旋盘变形引起的涡旋盘侧壁的摩擦以及齿顶与涡旋盘端板之间的摩擦。
现有技术中涡旋膨胀机采用等径基圆半径渐开线涡旋型线，受单侧几何排气孔口开设位置以及动涡旋齿偏心转动的影响，对侧排气腔及背压腔内压力分布的非均匀程度高，特别是两侧背压腔内的非对称分布，恶化了膨胀机的排气过程，较大的排气阻力使得机械能耗散增加，工作腔温度上升，造成涡旋齿的热变形量增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种涡旋膨胀机，以解决现有技术中涡旋齿热变形量增加的技术问题。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种涡旋膨胀机，所述涡旋膨胀机的涡旋型线为变基圆半径渐开线。
所述渐开线的基圆半径和曲率半径是渐开角的函数，满足：
Figure BDA0002006534580000021
Figure BDA0002006534580000022
其中：
Figure BDA0002006534580000023
表示渐开线的基圆半径；
Figure BDA0002006534580000024
表示渐开线的曲率半径；
Figure BDA0002006534580000025
表示渐开线展开角度；a0表示初始基圆半径；k表示多变指数；δ0表示修正增量。
修正增量δ0的取值范围是[-0.05，0)；k的取值范围是(0，2]。
所述渐开线上的点M(x,y)满足：
Figure BDA0002006534580000026
其中：
Figure BDA0002006534580000027
表示渐开线的基圆半径；
Figure BDA0002006534580000028
表示渐开线的曲率半径；
Figure BDA0002006534580000029
表示渐开线展开角度。
所述涡旋膨胀机的静涡旋型线内侧渐开线方程为：
Figure BDA00020065345800000210
所述涡旋膨胀机的静涡旋型线外侧渐开线方程为：
Figure BDA00020065345800000211
其中，xf,i、yf,i分别表示静涡旋型线内侧渐开线上点(xf,i,yf,i)的横坐标、纵坐标；xf,o、yf,o分别表示静涡旋型线外侧渐开线上点(xf,o,yf,o)的横坐标、纵坐标；
Figure BDA0002006534580000031
表示渐开线展开角度；a0表示初始基圆半径；
Figure BDA0002006534580000032
表示初始渐开线发生角；δ0表示修正增量。
所述涡旋膨胀机的内容积比满足：
Figure BDA0002006534580000033
其中：rv,i表示膨胀机的内容积比；Vd表示膨胀终了膨胀腔容积；Vsuc表示吸气终了吸气腔容积；Sd表示最终膨胀腔Z轴向横截面积；Ssuc表示吸气腔Z轴向横截面积。
所述涡旋膨胀机的制造方法，包括：选用定基圆半径渐开线型涡旋膨胀机作为原型机，保持涡旋齿齿高、涡旋齿展开角、齿头修正参数及初始基圆半径不变的情况下，按照变基圆半径渐开型线加工涡旋齿。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
(1)在保证原涡旋膨胀机基本几何结构参数不变的前提下，变基圆半径型线代替传统型线后可降低涡旋膨胀机工作腔压力和温度分布的不均匀程度，进而降低涡旋齿的变形量，且具有与原型机相似的工作能力；
(2)变基圆半径涡旋膨胀机涡旋齿外圈的温度分布较定基圆半径涡旋膨胀机更为均匀，且温度值更低；
(3)变基圆半径涡旋膨胀机减弱了原型机排气腔中二次流强度，减小了齿尾末端内外壁面的压差，因此，有效降低了涡旋齿的变形量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种涡旋膨胀机变基圆半径渐开线示意图；
图2是本发明实施例提供的一种涡旋膨胀机变基圆半径渐开线涡旋型线示意图；
图3是本发明实施例提供的一种涡旋膨胀机定基圆半径与变基圆半径渐开线涡旋型线膨胀机内部静压分布示意图；
图4是本发明实施例提供的一种涡旋膨胀机定基圆半径与变基圆半径渐开线涡旋型线膨胀机内部温度分布示意图；
图5是本发明实施例提供的一种涡旋膨胀机定基圆半径与变基圆半径渐开线涡旋型线膨胀机内部流线分布示意图；
图6是本发明实施例提供的一种涡旋膨胀机静涡旋齿顶涡旋线变形情况示意图；
图7是本发明实施例提供的一种涡旋膨胀机动涡旋齿顶涡旋线变形情况示意图；
图中：1.原型机涡旋型线；2.变基圆半径渐开线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种涡旋膨胀机，所述涡旋膨胀机的涡旋型线为变基圆半径渐开线。所述渐开线的基圆半径和曲率半径是渐开角的函数，满足：
Figure BDA0002006534580000041
Figure BDA0002006534580000042
其中：
Figure BDA0002006534580000043
表示渐开线的基圆半径；
Figure BDA0002006534580000044
表示渐开线的曲率半径；
Figure BDA0002006534580000045
表示渐开线展开角度；a0表示初始基圆半径；k表示多变指数；δ0表示修正增量。
多变指数k>0，若取k＝0，涡旋型线壁厚不变，此时得到等壁厚涡旋齿，当k＝1时，涡旋壁厚由内圈向外圈逐渐变化，且壁厚与渐开线展开角度呈线性关系；但k值不宜过大，涡旋壁厚的变化随k值增大而增加，k值越大，壁厚变化越快。为便于计算，k取1。δ0表示修正增量，当k>0时，若δ0>0，涡旋壁厚由内圈向外圈逐渐增加，反之若δ0<0，则涡旋壁厚由内圈向外圈下降|δ0|越大，壁厚变化越快。修正增量δ0取-0.02，这是由于经过对涡旋膨胀机流固耦合仿真计算后得知涡旋齿沿内向外变形量逐渐降低，因此外圈壁厚可低于内圈壁厚，但由于涡旋齿齿尾附近所受载荷略有增加。因此外圈壁厚特别是动涡旋齿外圈壁厚不宜过低。
所述渐开线上的点M(x,y)满足：
Figure BDA0002006534580000051
其中：
Figure BDA0002006534580000052
表示渐开线的基圆半径；
Figure BDA0002006534580000053
表示渐开线的曲率半径；
Figure BDA0002006534580000054
表示渐开线展开角度。
取
Figure BDA0002006534580000055
代入上式，变基圆半径渐开线静涡旋型线内、外侧渐开线公式可分别表示由式(4)和(5)表示。所述涡旋膨胀机的静涡旋型线内侧渐开线方程为：
Figure BDA0002006534580000056
所述涡旋膨胀机的静涡旋型线外侧渐开线方程为：
Figure BDA0002006534580000057
其中，xf,i、yf,i分别表示静涡旋型线内侧渐开线上点(xf,i,yf,i)的横坐标、纵坐标；xf,o、yf,o分别表示静涡旋型线外侧渐开线上点(xf,o,yf,o)的横坐标、纵坐标；
Figure BDA0002006534580000061
表示渐开线展开角度；a0表示初始基圆半径；
Figure BDA0002006534580000062
表示初始渐开线发生角；δ0表示修正增量。
与定基圆半径渐开线涡旋膨胀机一样，变基圆半径渐开线涡旋膨胀机的内膨胀比由内容积比确定，当涡旋齿高度一致时，内容积比可等定义为最终膨胀腔与吸气腔Z轴向横截面之比，所述涡旋膨胀机的内容积比满足：
Figure BDA0002006534580000063
其中：rv,i表示膨胀机的内容积比；Vd表示膨胀终了膨胀腔容积；Vsuc表示吸气终了吸气腔容积；Sd表示最终膨胀腔Z轴向横截面积；Ssuc表示吸气腔Z轴向横截面积。
本发明用便于加工的变基圆半径型线代替传统的定基圆半径型线制造膨胀机，且对原型机涡旋齿的基本结构参数不作改变，即涡旋齿齿高、涡旋齿展开角、齿头修正参数、初始基圆半径保持不变。可保证不改变涡旋机的外形尺寸，保证相似的做功能力，却有效降低涡旋盘的变形量。
表1涡旋型线几何结构及设计参数
Figure BDA0002006534580000064
以表1中等径基圆涡旋膨胀机A0为例，在保证原型机A0壳体尺寸、齿头修正参数不变的前提下，根据以上各式，得到变基圆半径渐开线涡旋膨胀机模型各主要参数，图2给出了新建模型的涡旋型线，其中，左侧的图表示静涡旋体几何型线，右侧的图表示主轴转角为264°时变基圆半径动、静涡旋体几何型线。用A1表示变基圆半径涡旋膨胀机模型，两个模型的主要几何结构参数及设计参数如表1所示。A1结构变得更为紧凑。A1的内容积比与A0相当，这表示两者具有相似的做功能力。
经膨胀机工作腔内部流动仿真计算，两膨胀机内部工作腔流场分布云图如图3～5所示，由于变基圆半径渐开线减小了涡旋盘的工作面积，增加了排气过程中过流通道的横截面积，背压腔内二次流机械能耗散减弱，背压腔内流动损失更小，且压力和温度分布较原型机更均匀。
将流场计算结果作为涡旋齿静力学分析的边界条件，计算两膨胀机涡旋齿变形量。改型后动、静涡旋齿的变形均有下降，改型后A1静涡旋齿的最大变形量为74μm，相比原型机减小了约19μm，A1动涡旋齿的最大变形值为36.7μm，相比A0减少了39.8％，如图6、图7所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种涡旋膨胀机，其特征在于，所述涡旋膨胀机的涡旋型线为变基圆半径渐开线；
所述渐开线上的点M(x,y)满足：
Figure FDA0002892709710000011
其中：
Figure FDA0002892709710000012
表示渐开线的基圆半径；
Figure FDA0002892709710000013
表示渐开线的曲率半径；
Figure FDA0002892709710000014
表示渐开线展开角度；
所述涡旋膨胀机的静涡旋型线内侧渐开线方程为：
Figure FDA0002892709710000015
所述涡旋膨胀机的静涡旋型线外侧渐开线方程为：
Figure FDA0002892709710000016
其中，xf,i、yf,i分别表示静涡旋型线内侧渐开线上点(xf,i,yf,i)的横坐标、纵坐标；xf,o、yf,o分别表示静涡旋型线外侧渐开线上点(xf,o,yf,o)的横坐标、纵坐标；
Figure FDA0002892709710000017
表示渐开线展开角度；a0表示初始基圆半径；
Figure FDA0002892709710000018
表示初始渐开线发生角；δ0表示修正增量。
2.根据权利要求1所述的涡旋膨胀机，其特征在于，所述渐开线的基圆半径和曲率半径是渐开角的函数，满足：
Figure FDA0002892709710000026
Figure FDA0002892709710000021
其中：
Figure FDA0002892709710000022
表示渐开线的基圆半径；
Figure FDA0002892709710000023
表示渐开线的曲率半径；
Figure FDA0002892709710000024
表示渐开线展开角度；a0表示初始基圆半径；k表示多变指数；δ0表示修正增量。
3.根据权利要求2所述的涡旋膨胀机，其特征在于，修正增量δ0的取值范围是[-0.05，0)；k的取值范围是(0，2]。
4.根据权利要求1所述的涡旋膨胀机，其特征在于，所述涡旋膨胀机的内容积比满足：
Figure FDA0002892709710000025
其中：rv,i表示膨胀机的内容积比；Vd表示膨胀终了膨胀腔容积；Vsuc表示吸气终了吸气腔容积；Sd表示最终膨胀腔Z轴向横截面积；Ssuc表示吸气腔Z轴向横截面积。
5.一种如权利要求1至4任一项所述涡旋膨胀机的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
选用定基圆半径渐开线型涡旋膨胀机作为原型机，保持涡旋齿齿高、涡旋齿展开角、齿头修正参数及初始基圆半径不变的情况下，按照变基圆半径渐开型线加工涡旋齿。
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