CN113027759B - 一种变螺距的内啮合双螺杆压缩机转子及压缩机 - Google Patents

Abstract

一种变螺距的内啮合双螺杆压缩机转子及压缩机，包括内转子和外转子，内转子的型线为偏心布置的圆形结构，外转子的型线为由半圆弧线与直线拼接成的组合结构；内转子的外形由内转子型线以变螺距的螺旋线为引导线扫描形成，外转子的外形由外转子型线以变螺距的螺旋线为引导线扫描形成；所述的内转子与外转子绕各自轴线分别以角速度ω₁与ω₂旋转，能够完成无干涉的啮合运行，实现基元容积腔由吸气端面到排气端面的运行。本发明能够达到较高的内压缩比，设计简单，性能优良，并且大大降低了双螺杆压缩机的制造成本。

Description

一种变螺距的内啮合双螺杆压缩机转子及压缩机

技术领域

本发明属于压缩机领域，具体涉及一种变螺距的内啮合双螺杆压缩机转子及压缩机。

背景技术

双螺杆压缩机是一种容积式回转压缩机，用于获取高压力气体，在现代工业中有着广泛的应用。双螺杆压缩机的主要零部件是一对相互啮合的阴阳转子，阴阳转子与机壳一起形成压缩机的基元容积。为了始终满足啮合条件，阴阳转子的型线方程较为复杂，一般是由外凸线段和内凹线段交替组合而成的封闭曲线，加工起来较为麻烦，而且为了减少泄露，在制造时对转子的加工精度也有所要求。一直以来，研究人员们不断地寻找满足啮合关系的简单转子型线，期许使转子的加工难度降低，从而降低双螺杆压缩机的制造成本。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中双螺杆压缩机转子加工复杂、制造成本高的问题，提供一种变螺距的内啮合双螺杆压缩机转子及压缩机，能够达到较高的内压缩比，转子结构设计简单，性能优良，并且大大降低了双螺杆压缩机的制造成本。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种变螺距的内啮合双螺杆压缩机转子，包括内转子和外转子，内转子的型线为偏心布置的圆形结构，外转子的型线为由半圆弧线与直线拼接成的组合结构；内转子的外形由内转子型线以变螺距的螺旋线为引导线扫描形成，外转子的外形由外转子型线以变螺距的螺旋线为引导线扫描形成；所述的内转子与外转子绕各自轴线分别以角速度ω₁与ω₂旋转，能够完成无干涉的啮合运行，实现基元容积腔由吸气端面到排气端面的运行。

作为本发明的一种优选实施方案，内转子节圆的圆心O₁与外转子节圆的圆心O₂的距离为e，内转子的节圆半径为r_p1，外转子的节圆半径为r_p2，内转子型线圆的半径为r，内转子型线圆的圆心O₃与内转子节圆的圆心O₁的距离为e；外转子的型线由半圆弧线AB、CD与直线BC、AD组成，半圆弧线的半径为r，直线长为4e。

作为本发明的一种优选实施方案，内转子与外转子的节圆半径满足如下关系式：

作为本发明的一种优选实施方案，内转子型线圆的坐标(x₁,y₁)满足如下参数方程：

作为本发明的一种优选实施方案，外转子型线的半圆弧线AB的坐标(x₂₁,y₂₁)满足如下参数方程：

外转子型线的半圆弧线CD的坐标(x₂₂,y₂₂)满足如下参数方程：

外转子的型线中，A，B，C，D的坐标分别为(r,e)，(-r,e)，(-r,-3e)，(r,-3e)。

作为本发明的一种优选实施方案，内转子与外转子的角速度ω₁与ω₂满足如下关系式：

2ω₂＝ω₁。

作为本发明的一种优选实施方案，作为内转子引导线的螺旋线导程P与外转子引导线的螺旋线导程L满足如下关系式：

L＝2P。

作为本发明的一种优选实施方案，作为内转子引导线的螺旋线转角γ₁与外转子引导线的螺旋线转角γ₂满足如下关系式：

2γ₂＝γ₁。

作为本发明的一种优选实施方案，任一外转子的转角

下所对应的吸气容积V₁由下式进行计算：

式中，S₁为吸气容积被吸气端面所截的面积，其随转角

的变化而变化；

为外转子从0到360°转过的角度；L₁为外转子从吸气端到排气端第一段螺旋线导程；

当

取360°时，计算得到的吸气容积为最大吸气容积V_1max；

内转子与外转子运行时形成两个吸气腔，随着内外转子相互转动，实现吸气容积从0到最大的变化过程，且容积最大时自动关闭吸气腔；

按下式根据内容积比计算排气起始位置的排气容积V₀：

若定义开始排气到排气结束外转子所转过的角度为θ，则任一转角θ下所对应的排气容积V₂由下式进行计算：

式中，S₂为排气容积被排气端面所截的面积，其随转角θ的变化而变化；L₃为外转子从吸气端到排气端最后一段螺旋线导程；获取排气容积V₀所对应的角度即为θ₀，根据θ₀制得排气孔的轮廓。

本发明还提出一种变螺距的内啮合双螺杆压缩机，其转子采用所述变螺距的内啮合双螺杆压缩机转子。

相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：由于转子采用了变螺距的形式，采用本发明的双螺杆转子结构可以达到较高的内压缩比。而且其型线简单化的设计，配合排气端盖，相比现有技术而言，大大降低了双螺杆压缩机的制造成本。对于内转子型线，没有了以往转子型线的内凹线段，使得内转子可以采用比较自由的加工方式。对于外转子，可采用注塑的方式成形，并采用复合材料，使得外转子具有一定的弹性，如此可以降低零件的加工精度。如此一来，相比以往加工阴阳两个转子来说，本发明只需要着重加工内转子这一个转子，只需要一副刀具或者砂轮即可，总体来说降低了双螺杆压缩机转子的加工难度。加之，本发明中的内外转子自身就可以形成基元容积，无需加装机壳，这样也降低了螺杆压缩机的制造成本。而且本发明内外转子之间啮合得更加紧密，有着更加顺滑的啮合关系，同时圆形结构可以更好的适应转子工作中的热变形，降低压缩机的噪声，提高转子的使用寿命。

附图说明

图1本发明变螺距的内啮合双螺杆压缩机转子型线示意图；

图2本发明工作过程转子型线啮合关系示意图；

图3本发明内转子和外转子的立体结构示意图；

图4本发明内转子和外转子工作过程中基元容积腔变化示意图；

图5本发明在不同参数下内外转子型线示意图：(a)r＝0.8e；(b)r＝1.2e；(c)r＝1.5e；

图6本发明吸排气的实现原理示意图；

图7本发明排气端盖制作排气孔的过程示意图；

图8本发明吸气容积被吸气端面所截的面积与外转子转角的关系曲线图；

图9本发明吸气容积与外转子转角的关系曲线图；

图10本发明排气孔位置的设计原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，本发明将内转子型线设计为偏心的圆形结构(圆O₃)，外转子型线设计为半圆弧线与直线的组合结构(曲线ABCD)。如图2所示，内外转子型线之间可以完成正确的啮合关系。如图3所示，将内外转子型线经变螺距的螺旋线引导后，可分别生成内外转子。如图4所示，内外转子的配合转动可以实现内部形成腔体的容积周期性变化，实现气体的强制运输和压缩效果。如图5所示，内外转子型线可以实现灵活的形状调节。如图6所示，内外转子绕着平行轴的旋转可以自动在吸气端形成吸气腔并满足其容积从0到最大的过程，排气端可加装带有排气孔的端盖。如图7所示，排气孔的位置可根据所需压缩比设计。

本发明变螺距的内啮合双螺杆压缩机转子中，内转子节圆的圆心O₁与外转子节圆的圆心O₂的距离为e。内外转子节圆半径分别为r_p1与r_p2，内转子型线为一偏心放置的圆，其半径为r，其圆心O₃与内转子节圆的圆心O₁的距离为e。外转子型线由半圆弧线AB、CD和直线BC、AD组成，圆弧半径为r，直线长为4e。内外转子型线的可变参数为：中心距e与半径r。

参见图2，内外转子型线可以完成无干涉的啮合。

参见图3及图4，内转子由内转子型线以变螺距(P₁-P₂-P₃)的螺旋线为引导线扫描形成，外转子由外转子型线以变螺距(L₁-L₂-L₃)的螺旋线为引导线扫描形成。内外转子按照各自轴分别以角速度ω₁与ω₂旋转，可以完成无干涉的啮合运行，实现基元容积腔由吸气端面到排气端面的运行。本发明内啮合螺杆转子设计分为型线设计和螺旋线设计，螺旋线的设计主要在于螺距的变化，为了便于吸气，靠近吸气口处应取较大螺距，同时为了提供较大的压缩比，排气口处应取较小螺距，这样一来，从吸气口到排气口的螺距会发生从大到小的变化。

参见图5中的图(a)，图(b)及图(c)，本发明转子型线可由圆形半径r与中心距e之比来控制型线的形状。

内外转子的节圆半径与中心距之间的关系为：

内转子型线圆的参数方程为：

外转子型线中曲线AB的参数方程为：

外转子型线中曲线CD的参数方程为：

外转子型线中A，B，C，D的坐标分别为(r,e)，(-r,e)，(-r,-3e)，(r,-3e)。

内外转子的角速度ω₁与ω₂满足如下条件：

2ω₂＝ω₁

内转子引导线的螺旋线导程P与外转子引导线的螺旋线导程L满足如下条件：

L＝2P

内转子引导线的螺旋线转角γ₁与外转子引导线的螺旋线转角γ₂满足如下条件：

2γ₂＝γ₁

以上求解过程中的独立变量为：型线独立变量(中心距e，半径r)与引导线独立变量(外转子引导螺旋线导程L与转角γ₂)。通过改变半径与中心距的之间的比例关系，能够获得图5中的图(a)，图(b)及图(c)所示的内啮合双螺杆转子型线。

参见图6，内外转子可形成两个吸气腔，随着内外转子相互转动，可实现吸气容积从0到最大的变化过程，且容积最大时自动关闭吸气腔，故无需加装吸气端盖。吸气腔的容积V₁可由如下步骤计算：首先得到吸气容积被吸气端面所截的面积S₁随着外转子转过的角度

从0到360°的变化规律，如图8所示。然后任一外转子的转角

下所对应的吸气容积V₁可由下式得到：

如图9所示，随着转角

的增加，吸气容积不断增加。

当

取360°时，计算的吸气容积为最大吸气容积V_1max。

参见图7，排气端方向的转子旋转方向与吸气端相反。排气开始于达到所需排气压力，结束于排气容积为0。排气开始的位置θ₀可根据所需内容积比ε_v来计算，计算步骤如下：

首先，根据内容积比的要求计算出排气容积V₀：

然后定义开始排气到排气结束外转子所转过的角度为θ，根据计算吸气容积同样的方法得到排气容积V₂与θ的关系曲线，计算公式如下：

其中，S₂为排气容积被排气端面所截的面积，其随转角θ的变化而变化。

最后，如图10所示，在关系曲线上得到V₀对应的角度即θ₀，根据θ₀画出排气孔的轮廓。

综上，本发明可通过螺距的变化以及排气孔的位置设计以满足内压缩比的设计要求，达到压缩流体的目的。当内外转子型线确定后，内压缩比最终由L₁，L₃，θ₀这三个参数所决定。

实施例

参见图1-5，本发明变螺距的内啮合双螺杆压缩机转子的设计过程如下：

1、由体积大小、抽气速率与内容积比优选转子中心距e，内转子型线圆半径r与外转子导程L，排气起始位置θ₀。如图1所示，取内外转子型线中心距e为10mm，内转子型线半径r为12mm，外转子螺旋线导程L₁为80mm，L₂为60mm，L₃为40mm，排气起始位置θ₀为80°。

2、由气体的密封性要求、受力性能等要求优选内转子螺旋线转角γ₂为1080°。

3、利用上述优选参数进行转子型线的求解。

利用下式：

确定内转子型线圆O₃。

外转子型线曲线AB的参数方程为：

外转子型线曲线CD的参数方程为：

外转子型线曲线中A，B，C，D的坐标分别为(r,e)，(-r,e)，(-r,-3e)，(r,-3e)。

确定外转子型线椭圆曲线ABCD。

4、利用上述优选参数进行内外转子螺旋引导线的获取。

内转子的引导螺旋线导程为P，转角为γ₁。

外转子的引导螺旋线导程为L，转角为γ₂，由以下公式获取：

5、利用上述获取的内外转子型线由转子螺旋引导线扫描而成内外转子结构。

6、利用上述获取的排气起始位置θ₀完成排气孔的设计。

本发明设计的内啮合双螺杆内外转子能完成正确的啮合，内外转子的配合转动可以实现内部工作腔体的容积周期性变化，满足内压缩比的设计要求，实现气体的强制运输和压缩。

本发明内外转子是由内转子型线通过变螺距的螺旋线引导生成。螺距的变化可使基元容积发生变小的变化，配合排气孔的设计能够实现较高的内压缩比。

本发明采用一种具有内啮合关系的内外转子型线，使得内转子没有以往型线的内凹部分，简化了内转子的加工要求。且与内转子啮合的外转子可以采用更为简单，精度要求更低的注塑方式成形。整体上这种简化的型线具有易加工、易损件少、磨损少、噪声低、成本低等优点。由于本发明自身结构的特点，可以无需加装吸气端盖就可以自然完成吸气过程。同时本发明采用了变螺距的转子生成方式，加上排气孔的灵活设计，可以实现流体的压缩过程并达到较大的内压缩比。综上，本发明变螺距的内啮合双螺杆压缩机转子结构及其吸排气设计，未来可用于低噪声、高压缩比、低成本且可以大批量生产的小型压缩机领域。

以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求所涵盖的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变螺距的内啮合双螺杆压缩机转子，其特征在于：包括内转子和外转子，内转子的型线为偏心布置的圆形结构，外转子的型线为由半圆弧线与直线拼接成的组合结构；内转子的外形由内转子型线以变螺距的螺旋线为引导线扫描形成，外转子的外形由外转子型线以变螺距的螺旋线为引导线扫描形成；所述的内转子与外转子绕各自轴线分别以角速度ω₁与ω₂旋转，能够完成无干涉的啮合运行，实现基元容积腔由吸气端面到排气端面的运行。

2.根据权利要求1所述变螺距的内啮合双螺杆压缩机转子，其特征在于：内转子节圆的圆心O₁与外转子节圆的圆心O₂的距离为e，内转子的节圆半径为r_p1，外转子的节圆半径为r_p2，内转子型线圆的半径为r，内转子型线圆的圆心O₃与内转子节圆的圆心O₁的距离为e；外转子的型线由半圆弧线AB、CD与直线BC、AD组成，半圆弧线的半径为r，直线长为4e。

3.根据权利要求2所述变螺距的内啮合双螺杆压缩机转子，其特征在于：

内转子与外转子的节圆半径满足如下关系式：

4.根据权利要求2所述变螺距的内啮合双螺杆压缩机转子，其特征在于：

内转子型线圆的坐标(x₁,y₁)满足如下参数方程：

5.根据权利要求2所述变螺距的内啮合双螺杆压缩机转子，其特征在于：

外转子型线的半圆弧线AB的坐标(x₂₁,y₂₁)满足如下参数方程：

外转子型线的半圆弧线CD的坐标(x₂₂,y₂₂)满足如下参数方程：

外转子的型线中，A，B，C，D的坐标分别为(r,e)，(-r,e)，(-r,-3e)，(r,-3e)。

6.根据权利要求1所述变螺距的内啮合双螺杆压缩机转子，其特征在于：

内转子与外转子的角速度ω₁与ω₂之间满足如下关系式：

2ω₂＝ω₁。

7.根据权利要求1所述变螺距的内啮合双螺杆压缩机转子，其特征在于：

作为内转子引导线的螺旋线导程P与外转子引导线的螺旋线导程L满足如下关系式：

L＝2P。

8.根据权利要求1所述变螺距的内啮合双螺杆压缩机转子，其特征在于：

作为内转子引导线的螺旋线转角γ₁与外转子引导线的螺旋线转角γ₂满足如下关系式：

2γ₂＝γ₁。

9.根据权利要求1所述变螺距的内啮合双螺杆压缩机转子，其特征在于：

任一外转子的转角

下所对应的吸气容积V₁由下式进行计算：

式中，S₁为吸气容积被吸气端面所截的面积，其随转角

的变化而变化；

为外转子从0到360°转过的角度；L₁为外转子从吸气端到排气端第一段螺旋线导程；

当

取360°时，计算得到的吸气容积为最大吸气容积V_1max；

内转子与外转子运行时形成两个吸气腔，随着内外转子相互转动，实现吸气容积从0到最大的变化过程，且容积最大时自动关闭吸气腔；

按下式根据内容积比计算排气起始位置的排气容积V₀：

若定义开始排气到排气结束外转子所转过的角度为θ，则任一转角θ下所对应的排气容积V₂由下式进行计算：

V₂＝∫₀ ^θS₂·L₃·dθ

式中，S₂为排气容积被排气端面所截的面积，其随转角θ的变化而变化；L₃为外转子从吸气端到排气端最后一段螺旋线导程；获取排气容积V₀所对应的角度即为θ₀，根据θ₀制得排气孔的轮廓。

10.一种变螺距的内啮合双螺杆压缩机，其特征在于：转子采用权利要求1至9当中任意一项所述变螺距的内啮合双螺杆压缩机转子。

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