CN112746967A - 一种具有更高容积效率和内直共轭的罗茨转子轮廓 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有更高容积效率和内直共轭的罗茨转子轮廓，包括2、3、4叶下的4、6、8个节圆周向对称邻接的半叶轮廓，半叶轮廓由节圆外的峰同心圆弧、峰过渡曲线、峰共轭轮廓以及节圆内的内直共轭轮廓、谷过渡曲线、谷同心圆弧共六部分首尾相连组成，相应的端点和连接点依序为位于峰对称轴上的峰点、顶点、外启点、中节点、内启点、根点和位于谷对称轴上的谷点，本发明的一种具有更大形状系数的低泄漏罗茨转子轮廓，一具有更大的形状系数和容积利用系数，二具有更小的径向泄漏率和共轭泄漏率，故具有更高的容积效率和更好的轻量化效果。

Description

一种具有更高容积效率和内直共轭的罗茨转子轮廓
技术领域
本发明属于罗茨泵的技术领域，具体涉及罗茨转子的一种具有高容积效率和节圆内共轭直线段的轮廓构造。
背景技术
罗茨泵是利用两个完全相同的罗茨转子(简称为转子)在共轭旋转过程中所产生的进口真空吸力将气体介质输送到出口的一类真空容积泵，转子叶数常为2～4。该类泵的容积效率“≈容积利用系数×(100％－内泄漏率)”直接决定了其轻量化程度，容积效率越高，轻量化程度越好。其中，容积利用系数＝“转子顶圆柱体积中用于挤出介质的部分叶槽容积/转子顶圆柱的体积”∝“1－1/转子形状系数的平方”，内泄漏率≈径向泄漏率+轴向泄漏率+共轭泄漏率。因此，在转子轮廓的构造中，总希望通过采用更大化的形状系数和更小化的的内泄漏率，以期获得更高的容积效率。
就形状系数完全由共轭轮廓(一般由节圆外的峰共轭轮廓和节圆内的谷共轭轮廓两部分组成)唯一决定的普通转子而言，目前具有更大化形状系数的共轭轮廓为圆弧和渐开线，2叶、3叶、4叶下分别为1.6699、1.4770、1.3680和1.6177、1.4638、1.3655，但渐开线属于全凸-凸共轭模式，圆弧属于部分凸-凸共轭模式，不能有效抑制共轭泄漏。
虽然轴向泄漏率受转子轮廓构造的影响很小，但是与泵壳内圆面的径向等缝隙密封和共轭区多点位密封的具有凸-平共轭模式的轮廓改进，却能有效控制径向泄漏及共轭泄漏。当然，共轭区多点位密封所围成的密闭空间会造成其内介质的压力冲击，但对于使用气体介质和具有较大间隙的非接触罗茨转子副而言，这种压力冲击的影响相对很小。
发明内容
本发明针对罗茨泵背景技术中所期望的更高容积效率，基于谷共轭轮廓采用半叶节圆弧的弦高线的特殊几何关系，提供了一种具有更大形状系数、径向等缝隙和共轭区多点位密封的低泄漏转子轮廓。
为实现上述目的，本发明技术解决方案如下：
一种具有更高容积效率和内直共轭的罗茨转子轮廓，包括半叶轮廓，其特征在于，半叶轮廓依序由节圆外的峰同心圆弧、峰过渡曲线、峰共轭轮廓和节圆内的内直共轭轮廓、谷过渡曲线、谷同心圆弧共六部分首尾相连组成，相应的端点和连接点依序为位于峰对称轴上的峰点、顶点、外启点、中节点、内启点、根点和位于谷对称轴上的谷点。
所述半叶轮廓，2叶下为4个节圆周向对称邻接的半叶轮廓，3叶下为6个节圆周向对称邻接的半叶轮廓，4叶下为8个节圆周向对称邻接的半叶轮廓。所述峰同心圆弧以转子中心为圆心，半叶顶密封角为圆心角，所述峰同心圆弧的半径由形状系数和节圆半径决定，具体的，峰同心圆弧的半径尺寸在数值上满足“峰同心圆弧的半径＝形状系数×节圆半径”。
所述谷同心圆弧为转子中心为圆心，半叶顶密封角为圆心角的一段圆弧，所述谷同心圆弧的半径由形状系数和节圆半径决定，具体的，谷同圆弧的半径在数值上满足“谷同心圆弧半径＝(2－形状系数)×节圆半径”。
所述内直共轭轮廓为峰对称轴与谷对称轴间已知节圆弧的弦高线。
所述峰共轭轮廓为内直共轭轮廓上任一点关于共轭瞬节点处节圆切线的对称点轨迹线；所述共轭瞬节点为内直共轭轮廓上任一点处的法线与节圆近峰对称轴一侧的交点。
所述峰过渡曲线为内启点关于过渡瞬节点处节圆切线的对称点轨迹线，所述过渡瞬节点为顶节点与峰节点间节圆弧上的任一点；所述峰节点为峰对称轴与节圆的交点，所述顶节点为顶点处峰过渡轮廓的法线与节圆的交点，顶节点的位置受其与峰节点间节圆弧的圆心角即多点位密封角所控制。
所述谷过渡曲线为配对转子上顶点在转子上生成的旋转避让轨迹线，期间转子副的共轭旋转角也为多点位密封角。
由“形状系数－1＝峰点到峰节点的长度/节圆半径＝峰节点到内启点的长度/节圆半径”的构造关系，所述形状系数为2叶、3叶、4叶下的1.7071、1.500、1.3827，比1.6699、1.4770、1.3680现有最大的还要大，故为更大的形状系数。所述多点位密封角和半叶顶密封角由内直共轭轮廓为弦高线的特定几何关系和已求得的形状系数唯一确定，所述多点位密封角为2叶、3叶、4叶下的10.8985°、13.8060°、14.7474°，所述半叶顶密封角为2叶、3叶、4叶下的9.1605°、9.7505°、9.1074°。
这样，当转子副共轭旋转角在[0，半叶顶密封角)区间内将有5个密封点位，(半叶顶密封角，多点位密封角)区间内将有3个密封点位，(多点位密封角，半叶圆心角/2)区间内有1个密封点位，相对于(0，半叶圆心角/2)内全程仅有1个密封点位的普通转子，本发明取得了更小化的共轭泄漏率；加上叶2×半叶顶密封角的径向等缝隙密封，本发明取得了更小化的径向泄漏率。
相对于现有技术，本发明有益效果如下：
本发明的一种具有更大形状系数的低泄漏罗茨转子轮廓，一具有更大的形状系数和容积利用系数，二具有更小的径向泄漏率和共轭泄漏率，故具有更高的容积效率和更好的轻量化效果。
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为罗茨转子具有更高容积效率的半叶轮廓构造示意图。
图2中为谷过渡曲线的生成示意图。
图3为不同区间内的密封点位数示意图。
图中：O、转子中心，0、峰点，1、顶点，2、外启点，3、中节点，4、内启点，5、根点，6、谷点，7、峰节点，8、谷节点，9、共轭瞬节点，9'、过渡瞬节点，01、峰同心圆弧，12、峰过渡曲线，23、峰共轭轮廓，34、内直共轭轮廓和弦高线，45、谷过渡曲线，56、谷同心圆弧，O70、峰对称轴，O68、谷对称轴，a、内直共轭轮廓上任一点，b、a的对称点，b'、内启点4的对称点；c、顶节点，r、节圆半径，ε、形状系数，
Figure BDA0002914041850000041
半叶圆心角，σ、半叶顶密封角，β、转子副旋转角，β*、多点位密封角，O'、配对转子中心。
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。
如图1、2、3所示，一种具有更高容积效率和内直共轭的罗茨转子轮廓，其半叶轮廓依序由节圆外的峰同心圆弧01、峰过渡曲线12、峰共轭轮廓23和节圆内的内直共轭轮廓34、谷过渡曲线45、谷同心圆弧56共六部分首尾相连组成，相应的端点和连接点依序为位于峰对称轴上的峰点0、顶点1、外启点2、中节点3、内启点4、根点5和位于谷对称轴上的谷点6；
Figure BDA0002914041850000042
为半叶圆心角，σ为半叶顶密封角，β*为多点位密封角，r为节圆半径，ε为形状系数，N为转子叶数，λ为容积利用系数。
在节圆半径r和叶数N给定的前提下，峰对称轴、峰节点7、中节点3、谷节点8、半叶圆心角
Figure BDA0002914041850000043
弦高线34、谷对称轴均得以唯一确定。
第一步，由“ε－1＝07长度/r＝74长度/节圆半径r”的构造关系，得
Figure BDA0002914041850000051
第二步，由求得的ε和c1长度＝c4长度，及△1Oc和△7O4的三角几何关系，得
Figure BDA0002914041850000052
第三步，以转子中心O为圆心，半径分别为ε×r、(2－ε)×r，圆心角均为σ，分别构造出峰同心圆弧01、谷同心圆弧56。
第四步，由内直共轭轮廓34上任一点a关于共轭瞬节点9处节圆切线的对称点b轨迹线，构造出峰共轭轮廓23。
第五步，由求得的多点位密封角β*和内启点4关于过渡瞬节点9'处节圆切线的对称点b'轨迹线，构造出峰过渡轮廓12。
第六步，由求得的多点位密封角β*和O'配对转子上顶点在转子上生成的旋转避让轨迹线，构造出谷过渡曲线45。
则[0，σ)区间内将有5个密封点位，(σ，β*)区间内将有3个密封点位，
Figure BDA0002914041850000053
区间内有1个密封点位，相对于
Figure BDA0002914041850000054
内全程仅有1个密封点位的普通转子，本发明取得了更小化的共轭泄漏率；加上叶2×半叶顶密封角的径向等缝隙密封，本发明取得了更小化的径向泄漏率。
最后，由容积利用系数计算的进一步推导，得
Figure BDA0002914041850000055
与渐开线转子的最大形状系数εj及其容积利用系数λj的
Figure BDA0002914041850000056
相比，本发明转子的形状系数ε分别提高了2叶下的5.53％、3叶下的2.47％和4叶下的1.26％，容积利用系数λ分别提高了2叶下的4.43％、3叶下的3.46％和4叶下的2.52％。
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。

Claims (10)

1.一种具有更高容积效率和内直共轭的罗茨转子轮廓，包括半叶轮廓，其特征在于，所述半叶轮廓由节圆外的峰同心圆弧、峰过渡曲线、峰共轭轮廓以及节圆内的内直共轭轮廓、谷过渡曲线、谷同心圆弧共六部分首尾相连组成，相应的端点和连接点依序为位于峰对称轴上的峰点、顶点、外启点、中节点、内启点、根点和位于谷对称轴上的谷点。
2.如权利要求1所述的一种具有更高容积效率和内直共轭的罗茨转子轮廓，其特征在于，所述半叶轮廓，2叶下为4个节圆周向对称邻接的半叶轮廓，3叶下为6个节圆周向对称邻接的半叶轮廓，4叶下为8个节圆周向对称邻接的半叶轮廓。
3.如权利要求1所述的一种具有更高容积效率和内直共轭的罗茨转子轮廓，其特征在于，所述峰同心圆弧以转子中心为圆心，半叶顶密封角为圆心角，所述峰同心圆弧的半径由节圆半径和形状系数决定。
4.如权利要求1所述的一种具有更高容积效率和内直共轭的罗茨转子轮廓，其特征在于，所述峰过渡曲线为内启点关于过渡瞬节点处节圆切线的对称点轨迹线，所述过渡瞬节点为顶节点与峰节点圆弧上的任意一点。
5.如权利要求4所述的一种具有更高容积效率和内直共轭的罗茨转子轮廓，其特征在于，所述峰节点为峰对称轴与节圆的交点，所述顶节点为顶点处峰过渡轮廓的法线与节圆的交点。
6.如权利要求1所述的一种具有更高容积效率和内直共轭的罗茨转子轮廓，其特征在于，所述峰共轭轮廓为内直共轭轮廓上任一点关于共轭瞬节点处节圆切线的对称点轨迹线，所述共轭瞬节点为内直共轭轮廓上任一点处的法线与节圆近峰对称轴一侧的交点。
7.如权利要求6所述的一种具有更高容积效率和内直共轭的罗茨转子轮廓，其特征在于，所述内直共轭轮廓为峰对称轴与谷对称轴间已知节圆弧的弦高线。
8.如权利要求1所述的一种具有更高容积效率和内直共轭的罗茨转子轮廓，其特征在于，所述谷同心圆弧以转子中心为圆心，半叶顶密封角为圆心角，谷同心圆弧的半径由形状系数和节圆半径决定。
9.如权利要求1所述的一种具有更高容积效率和内直共轭的罗茨转子轮廓，其特征在于，所述谷过渡曲线为配对转子上顶点在转子上生成的旋转避让轨迹线，期间转子副的共轭旋转角也为多点位密封角。
10.如权利要求3或8所述的一种具有更高容积效率和内直共轭的罗茨转子轮廓，其特征在于，所述半叶顶密封角由内直共轭轮廓为弦高线的特定几何关系和已求得的形状系数唯一确定。
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