CN113007095A - 一种凸-平共轭的3扭叶转子容积副和斜齿动力副 - Google Patents
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Abstract
一种凸‑平共轭的3扭叶转子容积副和斜齿动力副，3扭叶转子容积副：包括端面轮廓相同、螺旋方向相反，螺旋角相同的两个非接触式3扭叶转子；斜齿动力副：包括端面轮廓相同、螺旋方向相反、螺旋角相同的两个接触式标开线准渐圆柱斜齿轮；3扭叶转子容积副与斜齿动力副的端面节圆半径以及螺旋角相同，同轴上的3扭叶转子和标准圆柱斜齿轮的螺旋方向相反，一种具有节弦高共轭的3扭叶转子容积副及其斜齿动力副的耦合组合，具有更大的形状系数和容积利用系数，更小的径向泄漏率和凸‑平共轭泄漏率，无理论上的流量脉动和轴向力的有益效果。
Description
技术领域
本发明属于转子泵的技术领域，具体涉及作为容积副转子的一种具有高容积效率、无理论脉动及具有凸-平共轭的3扭叶轮廓构造，以及作为动力副斜齿轮就理论轴向力与容积副转子相互抵消的耦合确定。
背景技术
转子泵是利用两个完全相同的转子即转子容积副，在非接触共轭旋转过程中，所产生的进口真空吸力将介质输送到出口的一类容积泵，转子副的旋转动力由轴向另一具有8°～20°螺旋角的斜齿动力副提供。高容积效率和低噪音是转子泵的两个主要追求目标，美国石油协会API676标准和SH/T 3151-2013石油化工转子泵工程技术规范对此也有明确要求。
高容积效率主要由容积利用系数最大化和内泄漏最小化的轮廓构造来实现，且容积利用系数最大化等价于转子的形状系数(＝转子顶半径/端面节圆半径)最大化的轮廓构造。由轮廓构造导致的流量脉动及压力脉动是噪音产生的主要来源，虽然大叶数或扭叶均能降低流量脉动，但大叶数在脉动改善有限的同时也大幅度降低了转子的形状系数，往往属于一种“得不偿失”的间接方法；而扭叶虽然加大了加工难度，却能在不改变形状系数的前提下，大幅度降低流量脉动及压力脉动，甚至达到理论上的无脉动效果，属于一种“快速有效”的直接方法。就形状系数完全由转子共轭轮廓段唯一决定的普通转子而言，目前具有最大化形状系数的共轭轮廓段为圆弧和渐开线，其上限分别为2叶、3叶、4叶下1.6699、1.4770、1.3680和1.6177、1.4638、1.3655。其中，共轭轮廓段常由节圆外共轭和节圆内共轭的两部分轮廓段组成。
转子泵内泄漏主要由径向泄漏、轴向泄漏和共轭区泄漏三部分组成，虽然轴向泄漏受转子轮廓构造影响很小，但通过与泵壳内圆面径向的等缝隙密封和共轭区多点位密封(类似于重合度>1齿轮传动中的多啮合点)的具有凸-平共轭模式的轮廓改进，是能有效抑制径向泄漏及共轭泄漏的。
虽然直叶转子副共轭区多点位密封易引起其内介质类似于齿轮泵困油现象的压力冲击，但扭叶转子轴向的共轭缝隙长度是变化的，只要两端轮廓的轴向错角和宽径比(＝轴向宽度/端面节圆直径)设计得当，再加上转子间存在的非接触间隙和不太高的转速，因此扭叶转子副是不会造成所谓“困油现象”的，但其所产生的有害轴向力需加以抵消或部分抵消，否则会加大装置中的摩擦损失及缩短工作寿命。
发明内容
本发明针对转子泵背景技术中所期望的更高容积效率和无理论上的流量脉动及轴向力，基于节圆内共轭轮廓段采用半叶节圆弧弦高线(简称半叶节弦高)的特殊几何关系，和无理论流量脉动所需的两端轮廓60°扭叶错角及泵壳包容角结构设计需要，提供了一种端面轮廓具有更大形状系数、径向等密封间隙、凸-平共轭区多点位密封及两端面轮廓60°扭叶错角和介于19.5°～20.5°之间的螺旋角的3扭叶转子，以及就理论轴向力与3扭叶转子容积副相互抵消的具有介于19.5 °～20.5°之间的螺旋角的标准圆柱斜齿轮的确定。
为实现上述目的，本发明技术解决方案如下：
一种凸-平共轭的3扭叶转子容积副和斜齿动力副，其特征在于，
3扭叶转子容积副：包括两组端面轮廓相同、螺旋方向相反，螺旋角相同的非接触式3扭叶转子；
斜齿动力副：包括端面轮廓相同、螺旋方向相反、螺旋角相同的两个接触式标准圆柱斜齿轮；
3扭叶转子容积副与斜齿动力副的端面节圆半径以及螺旋角相同，同轴上的3扭叶转子和标准圆柱斜齿轮的螺旋方向相反。
所述3扭叶转子以及标准圆柱斜齿轮螺旋角为19.5°～20.5°，其中，先由20 °的螺旋角确定出标准圆柱斜齿轮的齿数和法面模数，然后再由3扭叶转子与标准圆柱斜齿轮的端面节圆半径相等确定出介于19.5°～20.5°之间的具体螺旋角。
所述3扭叶转子两端轮廓的扭叶错角为60°，所述标准圆柱斜齿轮两端轮廓的轴向错角由齿数决定，具体的，标准圆柱斜齿轮两端轮廓的轴向错角在数值上满足：
标准圆柱斜齿轮两端轮廓的轴向错角＝360°/齿数。
依据3扭叶转子两端轮廓60°错角的扭叶规律和介于19.5°～20.5°之间的螺旋角ξ，所述3扭叶容积转子的宽径比为
所述端面节圆半径r由转子泵已知的额定流量Q、额定转速n、容积效率η及转子的容积利用系数λ、形状系数ε和介于19.5°～20.5°之间的螺旋角ξ唯一确定为
所述标准圆柱斜齿轮的齿数z、法面模数mn先由20°的螺旋角ξ、端面节圆半径 r(ξ)和标准的法面压力角20°、齿顶高系数1、法面顶隙系数0.25，依据《GB/T 1357-2008通用机械和重型机械用圆柱齿轮模数》和《GB1356-88渐开线圆柱齿轮基本齿廓》的齿轮设计方法，并结合下式
2r(ξ)×cosξ＝mnz≈2r(20°)×cos(20°) (3)
的近似相等来确定，然后由3扭叶转子与标准渐开线圆柱斜齿轮的端面节圆半径绝对相等唯一确定出介于19.5°～20.5°之间的具体螺旋角ξ，最后由式(1)、(2) 确定出对应具体的宽径比φrotor(ξ)和端面节圆半径r(ξ)；
依据斜齿轮两端轮廓360°/齿数的轴向错角规律和刚求出的介于19.5°～20.5°之间的具体螺旋角ξ，所述标准圆柱斜齿轮的宽径比由
确定，其中端面重合度εt由已求得的齿数z、法面模数mn、刚求出的介于19.5°～20.5°之间的具体螺旋角ξ和标准的法面压力角20°、齿顶高系数1、法面顶隙系数0.25唯一确定。
所述3扭叶转子的半叶端面理论轮廓由顶同心圆弧、外过渡轮廓段、外共轭轮廓段、半叶节弦高、内过渡轮廓段和谷同心圆弧首尾相连共六部分组成。相应的端点和连接点依序为位于峰对称轴上的峰点、顶点、外起点、中节点、内起点、根点和位于谷对称轴上的谷点。其中，半叶轮廓的两边界为峰对称轴和谷对称轴，峰对称轴和谷对称轴的夹角为60°，峰对称轴和谷对称轴间节圆弧的弦高即为半叶节弦高；外过渡轮廓段顶点处法线与节圆交点到中节点的节圆弧圆心角为顶节角β；
所述外共轭轮廓段为配对转子的半叶节弦高在转子上的共轭轨迹线；所述外过渡轮廓段为配对转子的内起点在转子上的扫掠轨迹线；所述内过渡轮廓段为配对转子的顶点在转子上的扫掠轨迹线；所述顶同心圆弧和谷同心圆弧为以转子中心为圆心，rε、r×(2-ε)为半径，圆心角均为顶封角α的两段圆弧；
所述形状系数ε和顶封角α及转子的容积利用系数λ均由顶节角β通过
唯一确定，β＝45°～55.29°下的相关数据，如表1所示，则所述3扭叶转子的形状系数比现有同叶数普通圆弧转子的1.477上限形状系数还要大很多，为此本发明实现了更大化的形状系数；
表1 45°～55.29°顶节角下的形状系数和顶封角及容积利用系数
所述3扭叶转子容积副在[0，α)区间内将有“2个共轭点+2个顶点+1个同心圆弧上”的共5个密封点位，在(α，β－30°)区间内将有“2个共轭点+1个顶点”的共3个密封点位，在(β－30°，30°)区间内有“1个共轭点”的密封点位，相对于全程仅有1个密封点位的普通转子，本发明实现了更小化的凸-平共轭泄漏率，加上整叶2α顶封角的径向等缝隙密封，本发明实现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：
一种半叶节弦高共轭的3扭叶转子容积副及斜齿动力副，具有更大的形状系数和容积利用系数，更小的径向泄漏率和凸-平共轭泄漏率，无理论上的流量脉动和轴向力的有益效果。
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3扭叶转子容积副和斜齿动力副的同轴示意图。
图2为3扭叶转子的半叶轮廓构造示意图。
图3为不同区间内密封点位数的标识示意图。
图中：O、转子中心，O'、配对转子中心，0、峰点，1、顶点，2、外起点、3、中节点，4、内起点，5、根点，6、谷点，O0、峰对称轴，O6、谷对称轴，01、顶同心圆弧，12、外过渡轮廓段，23、外共轭轮廓段,34、半叶节弦高，45、内过渡轮廓段，56、谷同心圆弧，r、端面节圆半径，ε、形状系数，α、顶封角，β、顶节角，7、转子容积副，8、斜齿动力副，9、主动轴，10、从动轴。
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，为实现上述目的，本发明技术解决方案如下：
一种凸-平共轭的3扭叶转子容积副和斜齿动力副，其特征在于，
3扭叶转子容积副：包括两组端面轮廓相同、螺旋方向相反，螺旋角相同的非接触式3扭叶转子；
斜齿动力副：包括端面轮廓相同、螺旋方向相反、螺旋角相同的两个接触式标准圆柱斜齿轮；
3扭叶转子容积副与斜齿动力副的端面节圆半径以及螺旋角相同，同轴上的 3扭叶转子和标准圆柱斜齿轮的螺旋方向相反。
所述3扭叶转子两端轮廓的扭叶错角为60°，所述标准圆柱斜齿轮两端轮廓的轴向错角由齿数决定，具体的，标准圆柱斜齿轮两端轮廓的轴向错角在数值上满足：
标准圆柱斜齿轮两端轮廓的轴向错角＝360°/齿数。
所述3扭叶转子的半叶端面理论轮廓由顶同心圆弧01、外过渡轮廓段12、外共轭轮廓段23、半叶节弦高34、内过渡轮廓段45和谷同心圆弧56首尾相连共六部分组成。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、外起点2、中节点3、内起点4、根点5和位于谷对称轴上的谷点6。其中，半叶轮廓的两边界为峰对称轴O0和谷对称轴O6，峰对称轴O0和谷对称轴O6的夹角为60°，峰对称轴O0和谷对称轴O6间节圆弧的弦高即为半叶节弦高34；外过渡轮廓段12顶点处法线与节圆交点到中节点3的节圆弧圆心角为顶节角β；所述外过渡轮廓段12为配对转子已知内起点4在转子上的扫掠轨迹线；所述外共轭轮廓段23为配对转子上已知半叶节弦高34在转子上的共轭轨迹线；所述内过渡轮廓段45为配对转子上已知顶点1在转子上的扫掠轨迹线；
实施例取额定流量1010mm3/min，额定转速500转/分钟、容积效率85％，及表 1中的顶节角β＝50.8°，形状系数ε＝1.60，顶封角α＝4°，容积利用系数λ＝0.57，则所述3扭叶转子的形状系数比现有同叶数普通圆弧转子的1.477上限形状系数还要大很多，为此本发明实现了最大化的形状系数；
所述标准圆柱斜齿轮的齿数z、法面模数mn先由20°的螺旋角ξ、端面节圆半径 r(ξ)和标准的法面压力角20°、齿顶高系数1、法面顶隙系数0.25，依据《GB/T 1357-2008通用机械和重型机械用圆柱齿轮模数》和《GB1356-88渐开线圆柱齿轮基本齿廓》的齿轮设计方法，并结合下式
的近似相等确定出mn＝5、z＝97，然后由3扭叶转子与标准渐开线圆柱斜齿轮的端面节圆半径绝对相等唯一确定出介于19.5°～20.5°之间的具体螺旋角ξ＝20.25°，最后由式(1)、(2)、(4)确定出对应的转子宽径比φrotor(ξ)＝1.419、端面节圆半径r(ξ)＝258.48mm、端面重合度εt＝1.672和斜齿轮的宽径比φgear(ξ)＝0.147；所述顶同心圆弧01和谷同心圆弧56为以转子中心O为圆心， rε＝258.48×1.6＝413.568mm、r(2-ε)＝258.48×(2-1.6)＝103.392mm为半径，圆心角为α＝4°的两段圆弧；
所述3扭叶转子容积副在[0，4°)区间内将有“2个共轭点+2个顶点+1个同心圆弧上”的共5个密封点位，在(4°，20.8°)区间内有“2个共轭点+1个顶点”的共 3个密封点位，在(20.8°，30°)区间内有“1个共轭点”的密封点位，相对于全程仅有1个密封点位的普通转子，多点位密封区间比达69.3％，为此本发明实现了更小化的凸-平共轭泄漏率，加上整叶2α＝8°顶封角的径向等缝隙密封，为此本发明实现了更小化的径向泄漏率；
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 (5)
1.一种凸-平共轭的3扭叶转子容积副和斜齿动力副，其特征在于，3扭叶转子容积副：包括端面轮廓相同、螺旋方向相反，螺旋角相同的两个非接触式3扭叶转子；
斜齿动力副：包括端面轮廓相同、螺旋方向相反、螺旋角相同的两个接触式标准圆柱斜齿轮；
3扭叶转子容积副与斜齿动力副的端面节圆半径以及螺旋角相同，同轴上的3扭叶转子和标准圆柱斜齿轮的螺旋方向相反。
2.如权利要求1所述的一种凸-平共轭的3扭叶转子容积副和斜齿动力副，其特征在于，所述3扭叶转子以及标准圆柱斜齿轮螺旋角为19.5o°～20.5o。
3.如权利要求2所述的一种凸-平共轭的3扭叶转子容积副和斜齿动力副，其特征在于，所述3扭叶转子两端轮廓的扭叶错角为60°。
4.如权利要求3所述的一种凸-平共轭的3扭叶转子容积副和斜齿动力副，其特征在于，所述标准圆柱斜齿轮两端轮廓的轴向错角由齿数决定。
5.如权利要求1所述的一种凸-平共轭的3扭叶转子容积副和斜齿动力副，其特征在于，标准圆柱斜齿轮两端轮廓的轴向错角在数值上满足：
标准圆柱斜齿轮两端轮廓的轴向错角＝360°/齿数。
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