CN113107843B - 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，包括：动涡旋齿和静涡旋齿，其中：动涡旋齿的型线由动涡外壁三角函数渐开线和动涡内壁三角函数渐开线组成；静涡旋齿的型线由静涡外壁三角函数渐开线和静涡内壁三角函数渐开线组成；动涡旋齿在公转平动工作过程中，动涡旋齿与静涡旋齿能实现正确的啮合；在一个公转平动工作循环中，动涡外壁三角函数渐开线与静涡内壁三角函数渐开线，动涡内壁三角函数渐开线与静涡外壁三角函数渐开线均为两点啮合。同时，本发明还公开了一种上述变截面涡旋齿的型线设计方法。根据本发明提供的涡旋压缩机的变截面涡旋齿及其型线设计方法，解决现有涡旋齿型线多点啮合时，运行噪音振动大的问题；降低内泄露。

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

本发明涉及涡旋式压缩机技术领域，尤其涉及一种涡旋压缩机的变截面涡旋齿及其型线设计方法。

背景技术

涡旋式压缩机的动、静涡盘都是由端板和由端板上伸出的涡齿组成，构成动、静涡齿的型线方程，互为共轭曲线，两者偏心配置且相差180°。动涡盘在防自转机构的约束下，由曲柄轴带动作偏心回转平动，无自转，只有公转，随着动涡盘的平动，使动、静涡齿构成的月牙形外圈腔室中的气体不断向中心推移，容积不断收缩，压力逐渐升高，开始其压缩过程。压缩过程一直持续至该两腔室的空间合并为一中心室与排气口相通为止，然后开始通过排气口向外排气，并持续到小室的空间消失为止。

由于涡旋压缩机工作特性，气体压力由外到内逐步增加，外部涡齿受力小，壁厚可薄，通常采用由内到外渐变壁厚涡旋型线，如：阿基米德螺线线、代数螺线、变基园半径渐开线。采用变壁厚涡旋型线，相同排气量可减小压缩机尺寸，相同尺寸可增加压缩机排气量。

现有涡旋式压缩机大多是多个腔室同时工作，动、静涡齿径向多点同时啮合，属于过定位现象，由于加工、装配误差的存在，实际运行过程中涡齿轮廓凸起部位接触，形成涡齿凸起部位撞击现象，引起噪音振动，特别是在高转速情况下噪音振动明显增大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种涡旋压缩机的变截面涡旋齿及其型线设计方法，以至少解决现有涡旋齿型线多点啮合时，运行噪音振动大的问题。

为实现以上目的，第一方面，本发明提供了一种涡旋压缩机的变截面涡旋齿，包括：动涡旋齿和静涡旋齿，其中：

动涡旋齿的型线由动涡外壁三角函数渐开线和动涡内壁三角函数渐开线组成；

静涡旋齿的型线由静涡外壁三角函数渐开线和静涡内壁三角函数渐开线组成；

动涡旋齿在公转平动工作过程中，动涡旋齿与静涡旋齿能实现正确的啮合，即动涡外壁三角函数渐开线与静涡内壁三角函数渐开线啮合，以及动涡内壁三角函数渐开线与静涡外壁三角函数渐开线啮合；

在一个公转平动工作循环中，动涡外壁三角函数渐开线与静涡内壁三角函数渐开线，动涡内壁三角函数渐开线与静涡外壁三角函数渐开线均为两点啮合。

第二方面，本发明提供了一种上述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：

S1、以基圆圆心为原点建立二维坐标系，按照以下方程确定三角函数渐开线：

动涡外壁三角函数渐开线方程：

动涡内壁三角函数渐开线方程：

S2、动静涡型线相同，相位相差180°，再按照以下方程确定三角函数渐开线：

静涡外壁三角函数渐开线方程：

静涡内壁三角函数渐开线方程：

S3、计算涡旋齿壁厚，方程为：

t＝Rb(θ(1-kθ)-(θ-π)(1-k(θ-π))-Ror 式5

式中：Rb—基园半径，Ror—动涡盘平动回转半径，K—变壁厚系数，θ—涡旋齿型线展开角。

第三方面，本发明提供了一种涡旋真空泵，采用上述变截面涡旋齿。

第四方面，本发明提供了一种涡旋膨胀机，采用上述变截面涡旋齿。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：提供的涡旋压缩机的变截面涡旋齿及其型线设计方法，实现涡旋齿只在中心部位两点接触，减少冲击振动；同时又能实现不存在啮合间隙突变，月牙形腔室啮合间隙从外部到中心逐渐减小，减少内泄漏，提高效率。具体地，通过该方程生成动、静涡齿，该动、静涡旋齿工作时，从涡旋齿外圈向内啮合间隙逐渐变小，直到在中心部位两点啮合间隙为零，两点接触使压缩机运行平稳，解决现有涡旋齿型线多点啮合，运行噪音振动大的问题，同时由于涡旋式压缩机气体压力由外到内逐步增加，啮合间隙的逐渐变小很好的解决了内泄露问题，提升了涡旋式压缩机工作能效。

此外，变壁厚设计，减小了压缩机重量和体积，降低制造成本；压缩机工作时内泄露减小，提升了能效，节能环保；压缩机运行噪音振动小，降低了隔振降噪的成本。

附图说明

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例的动、静涡旋齿装配结构示意图；

图2为本发明图1中的动涡旋齿结构示意图；

图3为本发明图2中动、静涡旋齿的啮合工作过程示意图。

图中：11、动涡旋齿；111、动涡外壁三角函数渐开线；112、动涡内壁三角函数渐开线；12、静涡旋齿；121、静涡外壁三角函数渐开线；122、静涡内壁三角函数渐开线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图3，本发明实施例提供了一种涡旋压缩机的变截面涡旋齿，包括：动涡旋齿11和静涡旋齿12，其中：

动涡旋齿11的型线由动涡外壁三角函数渐开线111和动涡内壁三角函数渐开线112组成；

静涡旋齿12的型线由静涡外壁三角函数渐开线121和静涡内壁三角函数渐开线122组成；

动涡旋齿11在公转平动工作过程中，动涡旋齿11与静涡旋齿12能实现正确的啮合，即动涡外壁三角函数渐开线111与静涡内壁三角函数渐开线122啮合，以及动涡内壁三角函数渐开线112与静涡外壁三角函数渐开线121啮合；

图3中，在一个公转平动工作循环中，动涡外壁三角函数渐开线111与静涡内壁三角函数渐开线122，动涡内壁三角函数渐开线112与静涡外壁三角函数渐开线121均为两点啮合。

可以理解地，该动、静涡旋齿工作时，从涡旋齿外圈向内啮合间隙逐渐变小，直到在中心部位两点啮合间隙为零，两点接触使压缩机运行平稳，解决现有涡旋齿型线多点啮合，运行噪音振动大的问题。

第二方面，本发明提供了一种上述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：

S1、以基圆圆心为原点建立二维坐标系，按照以下方程确定三角函数渐开线：

动涡外壁三角函数渐开线111方程：

动涡内壁三角函数渐开线112方程：

S2、动静涡型线相同，相位相差180°，再按照以下方程确定三角函数渐开线：

静涡外壁三角函数渐开线121方程：

静涡内壁三角函数渐开线122方程：

S3、计算涡旋齿壁厚，方程为：

t＝Rb(θ(1-kθ)-(θ-π)(1-k(θ-π))-Ror 式5

式中：Rb—基园半径，Ror—动涡盘平动回转半径，K—变壁厚系数，θ—涡旋齿型线展开角。

图2是采用本发明的动涡旋齿型线的一个具体的设计计算过程，Rb＝3.2mm，Ror＝4.8mm，K＝0.00016，展开角0～5π，如图2所示，展开角为π时，壁厚4.96mm，展开角为5π时，壁厚2.65mm。本实施例对比同排量等壁厚涡盘，涡齿重量降低2％，涡齿端板外径减小5％。

涡旋齿型线的啮合理论要求两条生成壁面的型线互为共轭曲线。生成动涡内壁三角函数渐开线112的型线的共轭曲线方程为：

生成静涡外壁三角函数渐开线121的理论曲线与本发明的型线存在差异，使动、静涡旋齿实际啮合时有间隙，啮合间隙大小为((X1-X)²+(Y1-Y)²)^1/2，随展开角θ的增加，啮合间隙由0逐渐增大。按图2实施例，展开角为0时，啮合间隙为0，展开角为5∏时，啮合间隙为0.016mm。

第三方面，本发明提供了一种涡旋真空泵，采用上述变截面涡旋齿。

第四方面，本发明提供了一种涡旋膨胀机，采用上述变截面涡旋齿。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (3)

1.一种涡旋压缩机的变截面涡旋齿，包括：动涡旋齿（11）和静涡旋齿（12），其中：

动涡旋齿（11）的型线由动涡外壁三角函数渐开线（111）和动涡内壁三角函数渐开线（112）组成；

静涡旋齿（12）的型线由静涡外壁三角函数渐开线（121）和静涡内壁三角函数渐开线（122）组成；

动涡旋齿（11）在公转平动工作过程中，动涡旋齿（11）与静涡旋齿（12）能实现正确的啮合，即动涡外壁三角函数渐开线（111）与静涡内壁三角函数渐开线（122）啮合，以及动涡内壁三角函数渐开线（112）与静涡外壁三角函数渐开线（121）啮合；

其特征在于，在一个公转平动工作循环中，动涡外壁三角函数渐开线（111）与静涡内壁三角函数渐开线（122），动涡内壁三角函数渐开线（112）与静涡外壁三角函数渐开线（121）均为两点啮合；

上述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：

S1、以基圆圆心为原点建立二维坐标系，按照以下方程确定三角函数渐开线：

动涡外壁三角函数渐开线（111）方程：

动涡内壁三角函数渐开线（112）方程：

S2、动静涡型线相同，相位相差180°，再按照以下方程确定三角函数渐开线：

静涡外壁三角函数渐开线（121）方程：

静涡内壁三角函数渐开线（122）方程：

S3、计算涡旋齿壁厚，方程为：

式中：Rb—基园半径，Ror—动涡盘平动回转半径，K—变壁厚系数，θ—涡旋齿型线展开角。

2.一种涡旋真空泵，其特征在于，采用如权利要求1所述的变截面涡旋齿。

3.一种涡旋膨胀机，其特征在于，采用如权利要求1所述的变截面涡旋齿。

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