CN110671322B - 一种涡旋压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涡旋压缩机，包括壳体和压缩结构，压缩结构包括动涡旋盘和静涡旋盘，动涡旋盘具有动涡旋齿、静涡旋盘具有排气孔和静涡旋齿，动涡旋盘和静涡旋盘配合形成压缩腔，静涡旋齿的齿头具有齿头直线段、第一齿头圆弧段和第二齿头圆弧段，排气孔具有第一气孔腔、第二气孔腔和连通第一气孔腔和第二气孔腔的第三气孔腔，第二气孔腔的轮廓具有气腔第一圆弧段，第一气孔腔的轮廓具有气腔第一直线段，第一气孔腔位于气腔第一直线段的一侧，第二气孔腔的部分或者全部位于气腔一直线段的另一侧。本发明可以减小第一中心压缩腔和第二中心压缩腔开始排气时间差，以减小排气过程过压缩或者欠压缩导致的能耗损失。

Description

一种涡旋压缩机
技术领域
本发明涉及涡旋式压缩机气动设计领域，特别是涉及一种具有特殊排气孔形状的涡旋压缩机。
背景技术
涡旋压缩机广泛应用于空调设备中，涡旋压缩机由一对啮合的静涡旋与动涡旋组成，动静涡旋之间形成月牙形的压缩腔，并随动涡旋的公转平动而缩小。制冷工质从周向进入涡旋压缩腔，经过压缩后到达涡旋中心处的压缩腔，当中心压缩腔内气体压力大于外部压力并与排气孔连通时，压缩气体通过排气孔流到排气腔。
动静涡旋齿型线的设计是影响涡旋压缩机性能的关键因素，采用渐开线型线的涡旋压缩机理论和技术较为成熟。
在涡旋压缩机开始排气时刻，如果压缩腔内的压力小于排气腔内的压力，气体将从排气腔经排气孔回流到压缩腔，形成气体的重复压缩，这种情况称为欠压缩；如果在排气开始时刻，压缩腔内的压力大于排气压力，将导致排气过程中存在膨胀损失，涡旋压缩机压缩功耗增大，这种情况称为过压缩。欠压缩和过压缩均导致涡旋压缩机效率下降，应当避免。
除了涡旋型线设计以外，排气孔的大小与位置对排气时刻具有显著影响，传统的涡旋压缩机排气孔为圆形设计，主要是考虑的结构简单，加工方便。采用圆形排气孔的涡旋压缩机不可避免地存在过压缩或者欠压缩的情况。原因如下：
由于涡旋压缩机中存在一对中心压缩腔，而这两个中心压缩腔与圆形排气孔连通的时刻并不一致，存在先后之分。动涡旋齿7以逆时针方向转动，动涡旋齿7与静涡旋齿8相啮合形成第一中心压缩腔9和第二中心压缩腔10。如图1所示，在转角为20度时，第一中心压缩腔9即将与圆形排气孔11连通，而第二中心压缩腔10却在转角为120度时才开始与排气孔11连通，两个中心压缩腔开始排气时刻相差约100度，如图2所示，因此第二中心压缩腔 10的压力将显著高于第一中心压缩腔9的压力，存在过压缩现象。此前的涡旋压缩机排气孔设计主要考虑压缩机整体排气时刻，并没有考虑两个压缩腔排气时刻不一致引起的压力不对称性，从而引起较大的气动损失。
发明内容
本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种涡旋压缩机，通过排气孔的设计，可以减小两个中心压缩腔排气时间差，以减小过压缩或者欠压缩导致的损失，同时充分利用中心腔可用排气面积，减小排气过程的流动阻力。
根据本发明的第一方面实施例，提供一种涡旋压缩机，包括：
壳体，所述壳体具有排气腔；
位于壳体内的压缩结构，所述压缩结构包括动涡旋盘和静涡旋盘，所述动涡旋盘具有动涡旋齿、静涡旋盘具有连通排气腔的排气孔和型线为渐开线的静涡旋齿，所述动涡旋盘和静涡旋盘配合形成压缩腔，所述压缩腔包括第一中心压缩腔和第二中心压缩腔，所述静涡旋齿的齿头具有齿头直线段、第一齿头圆弧段和第二齿头圆弧段，所述齿头直线段的两端分别与第一齿头圆弧段和第二齿头圆弧段连接，所述排气孔具有第一气孔腔、第二气孔腔和连通第一气孔腔和第二气孔腔的第三气孔腔，所述第二气孔腔的轮廓具有与第一齿头圆弧段部分或者全部贴合的气腔第一圆弧段，所述第一气孔腔的轮廓具有与齿头直线段贴合的气腔第一直线段，所述第一气孔腔位于气腔第一直线段的一侧，第二气孔腔的部分或者全部位于气腔一直线段的另一侧。
上述涡旋压缩机至少具有以下有益效果：第一气孔腔的轮廓具有与齿头直线段贴合的气腔第一直线段，所述第一气孔腔位于气腔第一直线段的一侧，第二气孔腔的部分或者全部位于气腔一直线段的另一侧，在转动过程中，初始时，第一中心压缩腔和第二中心压缩腔尚未与排气孔连通，在45度转角时刻，第二中心压缩腔与第二气腔孔连通实现排气，第一中心压缩腔与第一气腔孔连通实现排气。因此，在本发明中，第一中心压缩腔与第二中心压缩腔的排气时刻更接近，两者的排气压力接近，更能避免欠压缩或过压缩导致的损失。
根据本发明第一方面实施例所述的涡旋压缩机，所述第二气孔腔的轮廓包括气腔第二圆弧段，所述气腔第二圆弧段的半径为r3，r3＝γt，其中系数γ的取值范围为0.4～0.5，t为静涡旋齿的涡旋齿厚度。
根据本发明第一方面实施例所述的涡旋压缩机，所述气腔第二圆弧段为半圆状。
根据本发明第一方面实施例所述的涡旋压缩机，所述第二气孔腔的轮廓包括一端与气腔第二圆弧段连接的气腔第三圆弧段，所述气腔第三圆弧段的圆心和第一齿头圆弧段的圆心同心，气腔第三圆弧段的半径大于或者等于第一齿头圆弧段的半径和气腔第二圆弧段的直径之和。
根据本发明第一方面实施例所述的涡旋压缩机，所述第一气孔腔的轮廓包括一端与气腔第一直线段连接的气腔第四圆弧段以及一端与气腔第四圆弧段连接的椭圆段，所述气腔第四圆弧段与部分或者全部的第二齿头圆弧段贴合，所述椭圆段的短半轴为a，
Figure BDA0002245931230000021
其中系数
Figure BDA0002245931230000031
的取值范围为0.4～0.6，a为气腔第一直线段到椭圆段的圆心的距离，h为静涡旋齿的齿头端修正部分的最大厚度；椭圆段的长轴和气腔第一直线段平行，椭圆段的长半轴为b， b＝λ(r1+l+r2)，其中系数λ的取值范围为0.45～0.6，r1为第一齿头圆弧段的半径，r2为第二齿头圆弧段的半径，l为齿头直线段的长度，b为气腔第四圆弧段和椭圆段的相交点到椭圆段的圆心的距离。
根据本发明第一方面实施例所述的涡旋压缩机，所述第三气孔腔的轮廓具有与第一气孔腔的轮廓和第二气孔腔的轮廓相切的轮廓线段。
与现有技术相比，本发明可以减小第一中心压缩腔和第二中心压缩腔开始排气时间差，以减小排气过程过压缩或者欠压缩导致的能耗损失，同时充分利用中心腔可用排气面积，减小排气过程的流动阻力，能避免欠压缩或过压缩导致的损失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是现有技术采用圆形排气孔处于转角为20度时的结构示意图；
图2是现有技术采用圆形排气孔处于转角为120度时的结构示意图；
图3是本发明实施例中排气孔的几何参数示意图；
图4是本发明实施例中排气孔的结构示意图；
图5是本发明实施例中压缩结构的剖视图；
图6是本发明实施例处于转角为20度时的结构示意图；
图7是本发明实施例处于转角为45度时的结构示意图；
图8是本发明实施例处于转角为120度时的结构示意图；
图9是本发明实施例和采用圆形排气孔的涡旋压缩机的动涡旋瞬态扭矩对比。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图3、图4和图5，一种涡旋压缩机，包括壳体3，所述壳体3具有排气腔4；位于壳体3内的压缩结构，所述压缩结构包括动涡旋盘1和静涡旋盘2，所述动涡旋盘1具有动涡旋齿7、静涡旋盘2具有连通排气腔4的排气孔12和型线为渐开线的静涡旋齿8，所述动涡旋盘1和静涡旋盘2配合形成压缩腔6，所述压缩腔6包括第一中心压缩腔9和第二中心压缩腔10，所述静涡旋齿8的齿头具有齿头直线段、第一齿头圆弧段和第二齿头圆弧段，所述齿头直线段的两端分别与第一齿头圆弧段和第二齿头圆弧段连接，所述排气孔12具有第一气孔腔14、第二气孔腔13和连通第一气孔腔14和第二气孔腔13的第三气孔腔15，所述第二气孔腔13的轮廓具有与第一齿头圆弧段部分或者全部贴合的气腔第一圆弧段，所述第一气孔腔14的轮廓具有与齿头直线段贴合的气腔第一直线段，所述第一气孔腔14位于气腔第一直线段的一侧，第二气孔腔13的部分或者全部位于气腔一直线段的另一侧。
排气孔12与涡旋压缩机的剖视图如图5所示，动涡旋盘1与静涡旋盘2相啮合，形成封闭的压缩腔6，当压缩腔6与排气孔12连通时，压缩腔6内的气体在压力差的作用下流到排气腔4，排气腔4由静涡旋盘2与壳体3包围而成。
第一气孔腔14的轮廓具有与齿头直线段贴合的气腔第一直线段，所述第一气孔腔14位于气腔第一直线段的一侧，第二气孔腔13的部分或者全部位于气腔一直线段的另一侧，在转角过程中，初始时，第一中心压缩腔9和第二中心压缩腔10尚未与排气孔12连通，在45度转角时刻，第二中心压缩腔10与第二气腔孔连通实现排气，第一中心压缩腔9与第一气腔孔连通实现排气。因此，在本发明中，第一中心压缩腔9与第二中心压缩腔10的排气时刻更接近，两者的排气压力接近，更能避免欠压缩或过压缩导致的损失。
优选地，所述第二气孔腔13的轮廓包括气腔第二圆弧段，所述气腔第二圆弧段的半径为 r3，r3＝γt，其中系数γ的取值范围为0.4～0.5，t为静涡旋齿8的涡旋齿厚度。
优选地，所述气腔第二圆弧段为半圆状。
优选地，所述第二气孔腔13的轮廓包括一端与气腔第二圆弧段连接的气腔第三圆弧段，所述气腔第三圆弧段的圆心和第一齿头圆弧段的圆心同心，气腔第三圆弧段的半径大于或者等于第一齿头圆弧段的半径和气腔第二圆弧段的直径之和。气腔第三圆弧段的半径为r4， r4＝r1+2r3。
优选地，所述第一气孔腔14的轮廓包括一端与气腔第一直线段连接的气腔第四圆弧段以及一端与气腔第四圆弧段连接的椭圆段，所述气腔第四圆弧段与部分或者全部的第二齿头圆弧段贴合，椭圆段的短半轴为a，
Figure BDA0002245931230000051
其中系数
Figure BDA0002245931230000052
的取值范围为0.4～0.6，a为气腔第一直线段到椭圆段的圆心的距离，h为静涡旋齿的齿头端修正部分的最大厚度；椭圆段的长轴和气腔第一直线段平行，椭圆段的长半轴为b，b＝λ(r1+l+r2)，其中系数λ的取值范围为 0.45～0.6，r1为第一齿头圆弧段的半径，r2为第二齿头圆弧段的半径，l为齿头直线段的长度， b为气腔第四圆弧段和椭圆段的相交点到椭圆段的圆心的距离。
优选地，所述第三气孔腔15的轮廓具有与第一气孔腔14的轮廓和第二气孔腔13轮廓相切的轮廓线段。
以下是本发明优选的实施例，如图3和图4所示：
静涡旋齿8型线为渐开线，并采用双圆弧加直线的方法对静涡旋齿8的齿头进行修正，静涡旋齿8的型线包括齿头直线段
Figure BDA0002245931230000053
第二齿头圆弧段
Figure BDA0002245931230000054
第一齿头圆弧段
Figure BDA0002245931230000055
第一渐开线段
Figure BDA0002245931230000056
和第二渐开线段
Figure BDA0002245931230000057
记齿头直线段
Figure BDA0002245931230000058
的长度为l，第二齿头圆弧段弧
Figure BDA0002245931230000059
的半径为r2，第二齿头圆弧段弧
Figure BDA00022459312300000510
的圆心为点C2，第一齿头圆弧段
Figure BDA00022459312300000511
的半径为r1，第一齿头圆弧段
Figure BDA00022459312300000512
的圆心为点C1，静涡旋齿8的厚度为t，静涡旋齿8的齿头端修正部分的最大厚度为h。
由于气腔第一直线段与齿头直线段相同或重合，两者采用相同的标号
Figure BDA00022459312300000513
第一齿头圆弧段与气腔第一圆弧段相同或重合，两者采用相同的标号
Figure BDA00022459312300000514
排气孔12几何形状由气腔第一直线段、轮廓线段
Figure BDA00022459312300000515
气腔第四圆弧段
Figure BDA00022459312300000516
气腔第一圆弧段、气腔第二圆弧段
Figure BDA00022459312300000517
气腔第三圆弧段
Figure BDA00022459312300000518
和椭圆段
Figure BDA00022459312300000519
构成。其中，轮廓线段
Figure BDA00022459312300000520
为直线。
气腔第二圆弧段
Figure BDA00022459312300000521
通过以下方法确定：作
Figure BDA00022459312300000522
的延长线到点C3，
Figure BDA00022459312300000523
的长度记为半径r3， r3＝γt，其中系数γ的取值范围为0.4～0.5，以点C3为圆心，r3为半径作半圆，得到气腔第二圆弧段
Figure BDA0002245931230000061
气腔第四圆弧段
Figure BDA0002245931230000062
为第二齿头圆弧段
Figure BDA0002245931230000063
的一部分，点G位置通过如下方法确定：作齿头直线段
Figure BDA0002245931230000064
的平行线
Figure BDA0002245931230000065
并与第二齿头圆弧段
Figure BDA0002245931230000066
相交于点G，齿头直线段
Figure BDA0002245931230000067
与
Figure BDA0002245931230000068
的垂直距离为a，
Figure BDA0002245931230000069
其中系数
Figure BDA00022459312300000624
的取值范围为0.4～0.6。此外，直线
Figure BDA00022459312300000610
的长度为b， b＝λ(r1+l+r2)，其中系数λ的取值范围为0.45～0.6。由a与b数值的大小确定点O的位置。
气腔第三圆弧段
Figure BDA00022459312300000611
轮廓线段
Figure BDA00022459312300000612
和椭圆段
Figure BDA00022459312300000613
由以下方法确定：以点O为椭圆中心，以a为短半轴，b为长半轴作椭圆，长半轴平行于齿头直线段
Figure BDA00022459312300000614
得到椭圆段
Figure BDA00022459312300000615
以C1为圆心，
Figure BDA00022459312300000616
为半径作圆弧
Figure BDA00022459312300000617
取直线
Figure BDA00022459312300000618
与椭圆段
Figure BDA00022459312300000619
相切于点J，与圆弧
Figure BDA00022459312300000620
线切于点 L，由此确定气腔第三圆弧段
Figure BDA00022459312300000621
轮廓线段
Figure BDA00022459312300000622
和椭圆段
Figure BDA00022459312300000623
本发明的排气孔12与圆形排气孔11的对比可以从图6、图7、图8、图1和图2得到体现。在该示意图中，动涡旋齿7以逆时针方向转动，动涡旋齿7与静涡旋齿8相啮合形成第一中心压缩腔9和第二中心压缩腔10。如图1所示，在转角为20度时，第一中心压缩腔9 即将与圆形排气孔11连通，而第二中心压缩腔10却在转角为120度时才开始与排气孔12连通，如图2所示，两个中心压缩腔开始排气时刻相差约100度，因此第二中心压缩腔10的压力将显著高于第一中心压缩腔9的压力，存在过压缩现象。
在本发明的实施例中，如图6、图7和图8所示，在20度转角时刻，第一中心压缩腔9和第二中心压缩腔10尚未与排气孔12连通，在45度转角时刻前，第二中心压缩腔10与第二气腔孔连通实现排气，第一中心压缩腔9与第一气腔孔连通实现排气，第一中心压缩腔9 与第二中心压缩腔10的排气时刻更接近，两者的排气压力接近，更能避免欠压缩或过压缩导致的损失。在120度转角时刻，第二中心压缩腔10、第一中心压缩腔9与排气孔连通并具有较大的排气面积，有利于减小排气阻力。
最后，如图9所示，实线为采用圆形排气孔11的压缩机驱动动涡旋盘1所需的瞬态扭矩，虚线为采用本发明的排气孔12的压缩机驱动动涡旋盘1所需的瞬态扭矩，对比可以看出，采用本发明的排气孔12设计后，驱动动涡旋盘1所需的瞬态扭矩显著降低，从而降低压缩机能耗，提高效率。
以上是对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (4)

1.一种涡旋压缩机，其特征在于：包括
壳体，所述壳体具有排气腔；
位于所述壳体内的压缩结构，所述压缩结构包括动涡旋盘和静涡旋盘，所述动涡旋盘具有动涡旋齿，所述静涡旋盘具有连通所述排气腔的排气孔和型线为渐开线的静涡旋齿，所述动涡旋盘和所述静涡旋盘配合形成压缩腔，所述压缩腔包括第一中心压缩腔和第二中心压缩腔，所述静涡旋齿的齿头具有齿头直线段、第一齿头圆弧段和第二齿头圆弧段，所述齿头直线段的两端分别与所述第一齿头圆弧段和所述第二齿头圆弧段连接，所述排气孔具有第一气孔腔、第二气孔腔和连通所述第一气孔腔和所述第二气孔腔的第三气孔腔，所述第二气孔腔的轮廓具有与所述第一齿头圆弧段部分或者全部贴合的气腔第一圆弧段，所述第一气孔腔的轮廓具有与所述齿头直线段贴合的气腔第一直线段，所述第一气孔腔位于所述气腔第一直线段的一侧，所述第二气孔腔的部分或者全部位于所述气腔第一直线段的另一侧；
其中，所述第一气孔腔的轮廓包括一端与所述气腔第一直线段连接的气腔第四圆弧段以及一端与所述气腔第四圆弧段连接的椭圆段，所述气腔第四圆弧段与部分或者全部的所述第二齿头圆弧段贴合，所述椭圆段的短半轴为a，且
Figure FDA0002940644710000011
其中系数
Figure FDA0002940644710000012
的取值范围为0.4～0.6，a为所述气腔第一直线段到所述椭圆段的圆心的距离，h为所述静涡旋齿的齿头端修正部分的最大厚度；所述椭圆段的长轴和所述气腔第一直线段平行，所述椭圆段的长半轴为b，且b＝λ(r1+l+r2)，其中系数λ的取值范围为0.45～0.6，r1为所述第一齿头圆弧段的半径，r2为所述第二齿头圆弧段的半径，l为所述齿头直线段的长度，b为所述气腔第四圆弧段和所述椭圆段的相交点到所述椭圆段的圆心的距离；
所述第二气孔腔的轮廓包括气腔第二圆弧段，所述气腔第二圆弧段的半径为r3，r3＝γt，其中系数γ的取值范围为0.4～0.5，t为所述静涡旋齿的涡旋齿厚度。
2.根据权利要求1所述的涡旋压缩机，其特征在于：所述气腔第二圆弧段为半圆状。
3.根据权利要求1或2所述的涡旋压缩机，其特征在于：所述第二气孔腔的轮廓包括一端与所述气腔第二圆弧段连接的气腔第三圆弧段，所述气腔第三圆弧段的圆心和所述第一齿头圆弧段的圆心同心，所述气腔第三圆弧段的半径大于或者等于所述第一齿头圆弧段的半径和所述气腔第二圆弧段的直径之和。
4.根据权利要求1所述的涡旋压缩机，其特征在于：所述第三气孔腔的轮廓具有与所述第一气孔腔的轮廓和所述第二气孔腔的轮廓相切的轮廓线段。
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