CN110285053A - 一种涡旋压缩机的变截面涡旋齿及其型线设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡旋压缩机的变截面涡旋齿及其型线设计方法，涡旋齿的型线为一种基于三角函数的变径基圆渐开线，即三角函数渐开线；静涡旋齿(1)的型线由第一三角函数渐开线AB和第四三角函数渐开线GH组成，动涡旋齿(2)的型线由第二三角函数渐开线CD、第三三角函数渐开线EF组成；在工作过程中，动涡旋齿(2)和静涡旋齿(1)之间能够实现正确啮合。所提出的变截面涡旋齿，其型线组成简单，静涡旋齿的外圈齿厚和中心处齿厚较小，中间位置齿厚较大，能够减少涡旋齿圈数和泄漏线长度，减少泄漏量；同时动涡旋齿为等齿厚且齿厚较小，动涡旋齿质量小，旋转惯性力小，动力特性好。

Description

一种涡旋压缩机的变截面涡旋齿及其型线设计方法

技术领域

本发明属于压缩机工程技术领域，特别涉及一种涡旋压缩机的变截面涡旋齿。

背景技术

涡旋压缩机是一种容积式流体机械，动涡旋在工作过程中做公转平动，动涡旋齿和静涡旋齿相互啮合形成数对周期性变化的月牙形工作腔，随着曲轴的不断旋转，完成气体吸入、压缩和排出的工作过程。由于其结构简单、零部件少、运转平稳、噪音低和可靠性高的显著特点而被广泛应用于空调制冷、医疗设备和真空系统领域。涡旋齿的型线直接影响了涡旋压缩机的工作性能，故涡旋齿的型线设计极其关键。

当涡旋压缩机的压缩比要求较高时，所需的涡旋齿圈数较多，由此会造成整机尺寸和泄漏线长度的增加，从而加剧泄漏。中国专利(王君,曹晨燕,崔淑洁,魏蜀红,杨舒然,赵峰.一种全啮合变壁厚涡旋真空泵[P].山东：CN107939681A,2018-04-20.)公开了一种全啮合变壁厚涡旋真空泵，其涡旋齿型线由圆渐开线、高阶连续曲线组成，和相同尺寸下的等截面涡旋齿相比，增加了压缩机的压缩比，减少了涡旋齿型线的长度和泄漏，但型线组成复杂，且动涡旋齿的齿厚较大，致使动涡旋齿质量较大，旋转惯性力大，降低其动力特性。美国专利(Park Inwon,Choi Seheon,Lee Byeongchul,Yoo Byungkil.Scroll compressorwith an arcuate and a logarithmic spiral sections[P].US Patent:US9605675,2017-03-28.)提出了一种涡旋压缩机，其静涡旋齿为变截面，动涡旋齿为等截面，动静涡旋齿型线均由对数螺线、多曲线、圆弧组成，能够提高吸气量、增加压缩比，但其型线组成较为复杂。

发明内容

针对以上在高压缩比要求下，涡旋齿所需圈数多、泄漏线长，以及现有变截面涡旋齿的型线组成复杂、动涡旋齿因质量大而动力特性差的问题，本发明提出一种涡旋压缩机的变截面涡旋齿及其型线设计方法，涡旋齿的型线由一种基于三角函数的变径基圆渐开线组成，即三角函数渐开线，其节距由中心向外先增大、再减小，能够实现正确啮合，型线组成简单，静涡旋齿的外圈齿厚和中心处齿厚较小，中间位置齿厚较大，能够减少涡旋齿圈数和泄漏线长度，减少泄漏量；同时动涡旋齿齿厚不变，为等齿厚且齿厚较小，动涡旋齿质量小，公转平动过程中更平稳，动力特性好；所提出的涡旋压缩机的变截面涡旋齿及其型线设计方法对于丰富涡旋齿的型线类型、改善压缩机工作性能有重要意义。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种涡旋压缩机的变截面涡旋齿，包括：静涡旋齿和动涡旋齿；

静涡旋齿的组成型线由2段曲线组成，依次为：第一三角函数渐开线AB、第四三角函数渐开线GH；静涡旋齿的外圈齿厚和中心处齿厚较小，中间位置齿厚较大；

动涡旋齿的组成型线由2段曲线组成，依次为：第二三角函数渐开线CD、第三三角函数渐开线EF；动涡旋齿的齿厚不变，为等齿厚；

动涡旋齿在公转平动的工作过程中，动涡旋齿和静涡旋齿能够实现正确的啮合，即动涡旋齿的第二三角函数渐开线CD、第三三角函数渐开线EF分别与静涡旋齿的第一三角函数渐开线AB、第四三角函数渐开线GH能够实现正确的啮合。

所述的涡旋压缩机的变截面涡旋齿的型线设计方法，包括以下步骤：

1)以基圆圆心点O为原点建立二维坐标系，给定以下参数：常数k、ω、C；

2)按以下方程确定三角函数渐开线ab，其方程为：

其中，t为角度参数；三角函数渐开线ab的节距由中心向外先增大、再减小；

3)将三角函数渐开线ab向外侧法向等距回转半径R_or，得到三角函数渐开线第一等距曲线a₁b₁，其方程为：

4)将三角函数渐开线第一等距曲线a₁b₁向外侧法向等距动涡旋齿的齿厚δ，得到三角函数渐开线第二等距曲线a₂b₂，其方程为：

5)将三角函数渐开线第二等距曲线a₂b₂向外侧法向等距回转半径R_or，得到三角函数渐开线第三等距曲线a₃b₃，其方程为：

式中：R_or—回转半径；δ—动涡旋齿的齿厚；

6)在三角函数渐开线ab上截取第一三角函数渐开线AB，在三角函数渐开线第一等距曲线a₁b₁上截取第二三角函数渐开线CD，在三角函数渐开线第二等距曲线a₂b₂上截取第三三角函数渐开线EF，在三角函数渐开线第三等距曲线a₃b₃上截取第四三角函数渐开线GH。

一种涡旋真空泵，使用所述的一种变截面涡旋齿。

一种涡旋膨胀机，使用所述的一种变截面涡旋齿。

本发明的有益结果为：

①所提出的变截面涡旋齿的型线采用一种基于三角函数的变径基圆渐开线，即三角函数渐开线，涡旋齿的型线组成简单，并且静涡旋齿的外圈齿厚和中心处齿厚较小，中间位置齿厚较大，使涡旋压缩机在高压缩比要求下，所需涡旋圈数减少，泄漏线长度变短，降低泄漏量。

②所提出的变截面涡旋齿，其动涡旋齿的厚度不变，为等齿厚且齿厚较小，动涡旋齿质量小，旋转惯性力小，动力特性好。

附图说明

图1是三角函数渐开线ab图。

图2是三角函数渐开线ab的等距曲线图。

图3是公转中心位置处静涡旋齿(1)和动涡旋齿(2)图。

图4是静涡旋齿(1)图。

图5是动涡旋齿(2)图。

图6是动涡旋齿(2)和静涡旋齿(1)的啮合图。

图中：1—静涡旋齿(1)，2—动涡旋齿(2)，ab—三角函数渐开线，a₁b₁—三角函数渐开线第一等距曲线，a₂b₂—三角函数渐开线第二等距曲线，a₃b₃—三角函数渐开线第三等距曲线，AB—第一三角函数渐开线，CD—第二三角函数渐开线，EF—第三三角函数渐开线，GH—第四三角函数渐开线，δ₁—静涡旋齿(1)的中心处齿厚，δ₂—静涡旋齿(1)的中间位置齿厚，δ₃—静涡旋齿(1)的外圈齿厚，p₁—三角函数渐开线ab的第一圈的节距，p₂—三角函数渐开线ab的第二圈的节距，p₃—三角函数渐开线ab的第三圈的节距。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，为三角函数渐开线ab图，以基圆圆心点O为原点建立二维坐标系，给定以下参数：常数k、ω、C；

按以下方程确定三角函数渐开线ab，其方程为：

其中，t为角度参数；

三角函数渐开线ab的节距由中心向外先增大、再减小，三角函数渐开线ab的第一圈的节距p₁较小，第二圈的节距p₂增大，第三圈的节距p₃减小，即p₁<p₂，p₂>p₃。

如图2所示，为三角函数渐开线ab的等距曲线图，将三角函数渐开线ab向外侧法向等距回转半径R_or，得到三角函数渐开线第一等距曲线a₁b₁，其方程为：

将三角函数渐开线第一等距曲线a₁b₁向外侧法向等距动涡旋齿2的齿厚δ，得到三角函数渐开线第二等距曲线a₂b₂，其方程为：

将三角函数渐开线第二等距曲线a₂b₂向外侧法向等距回转半径R_or，得到三角函数渐开线第三等距曲线a₃b₃，其方程为：

式中：R_or—回转半径；δ—动涡旋齿2的齿厚。

如图3所示，为公转中心位置处静涡旋齿1和动涡旋齿2图，在三角函数渐开线ab上截取第一三角函数渐开线AB，在三角函数渐开线第一等距曲线a₁b₁上截取第二三角函数渐开线CD，在三角函数渐开线第二等距曲线a₂b₂上截取第三三角函数渐开线EF，在三角函数渐开线第三等距曲线a₃b₃上截取第四三角函数渐开线GH；

静涡旋齿1和动涡旋齿2的组成型线之间是法向等距关系，动涡旋齿2的第二三角函数渐开线CD是静涡旋齿1的第一三角函数渐开线AB的外侧法向等距曲线，法向等距的距离为回转半径R_or，动涡旋齿2的第三三角函数渐开线EF是动涡旋齿2的第二三角函数渐开线CD的外侧法向等距曲线，法向等距的距离为动涡旋齿2的齿厚δ，静涡旋齿1的第四三角函数渐开线GH是动涡旋齿2的第三三角函数渐开线EF的外侧法向等距曲线，法向等距的距离为回转半径R_or。

如图4所示，为静涡旋齿1图，静涡旋齿1的组成型线由2段曲线组成，依次为：第一三角函数渐开线AB、第四三角函数渐开线GH；静涡旋齿1的外圈齿厚δ₃和中心处齿厚δ₁较小，中间位置齿厚δ₂较大，即δ₁<δ₂，δ₂>δ₃。

如图5所示，为动涡旋齿2图，动涡旋齿2的组成型线由2段曲线组成，依次为：第二三角函数渐开线CD、第三三角函数渐开线EF；动涡旋齿2的齿厚δ不变，为等齿厚。

如图6所示，为动涡旋齿2和静涡旋齿1的啮合图，动涡旋齿2在公转平动的工作过程中，动涡旋齿2和静涡旋齿1能够实现正确的啮合，即动涡旋齿2的第二三角函数渐开线CD、第三三角函数渐开线EF分别与静涡旋齿1的第一三角函数渐开线AB、第四三角函数渐开线GH能够实现正确的啮合。

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 (4)

1.一种涡旋压缩机的变截面涡旋齿，包括：静涡旋齿(1)和动涡旋齿(2)，其特征是：

静涡旋齿(1)的组成型线由2段曲线组成，依次为：第一三角函数渐开线AB、第四三角函数渐开线GH；静涡旋齿(1)的外圈齿厚和中心处齿厚较小，中间位置齿厚较大；

动涡旋齿(2)的组成型线由2段曲线组成，依次为：第二三角函数渐开线CD、第三三角函数渐开线EF；动涡旋齿(2)的齿厚不变，为等齿厚；

动涡旋齿(2)在公转平动的工作过程中，动涡旋齿(2)和静涡旋齿(1)能够实现正确的啮合，即动涡旋齿(2)的第二三角函数渐开线CD、第三三角函数渐开线EF分别与静涡旋齿(1)的第一三角函数渐开线AB、第四三角函数渐开线GH能够实现正确的啮合。

2.一种如权利要求1所述的涡旋压缩机的变截面涡旋齿的型线设计方法，其特征是：包括以下步骤：

1)以基圆圆心点O为原点建立二维坐标系，给定以下参数：常数k、ω、C；

2)按以下方程确定三角函数渐开线ab，其方程为：

其中，t为角度参数；三角函数渐开线ab的节距由中心向外先增大、再减小；

3)将三角函数渐开线ab向外侧法向等距回转半径R_or，得到三角函数渐开线第一等距曲线a₁b₁，其方程为：

4)将三角函数渐开线第一等距曲线a₁b₁向外侧法向等距动涡旋齿(2)的齿厚δ，得到三角函数渐开线第二等距曲线a₂b₂，其方程为：

5)将三角函数渐开线第二等距曲线a₂b₂向外侧法向等距回转半径R_or，得到三角函数渐开线第三等距曲线a₃b₃，其方程为：

式中：R_or—回转半径；δ—动涡旋齿(2)的齿厚；

6)在三角函数渐开线ab上截取第一三角函数渐开线AB，在三角函数渐开线第一等距曲线a₁b₁上截取第二三角函数渐开线CD，在三角函数渐开线第二等距曲线a₂b₂上截取第三三角函数渐开线EF，在三角函数渐开线第三等距曲线a₃b₃上截取第四三角函数渐开线GH。

3.一种涡旋真空泵，其特征是：使用如权利要求1所述的一种变截面涡旋齿。

4.一种涡旋膨胀机，其特征是：使用如权利要求1所述的一种变截面涡旋齿。