CN113236561A - 一种变螺距的同向啮合双螺杆压缩机转子及压缩机 - Google Patents

一种变螺距的同向啮合双螺杆压缩机转子及压缩机 Download PDF

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Abstract

一种变螺距的同向啮合双螺杆压缩机转子及压缩机，压缩机转子包括型线均为偏心的圆形结构的两个转子，偏心距e相等，两个转子的型线相同并相切，两个转子的节圆半径rp1、rp2与型线的半径r相等，两个转子的外形由两个转子的型线经变螺距的螺旋线引导形成；两个转子绕各自的节圆圆心以相同的角速度同时顺时针或逆时针进行旋转时始终保持啮合关系。双螺杆压缩机包括机壳以及布置在机壳内的转子，转子采用所述变螺距的同向啮合双螺杆压缩机转子。两螺杆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，实现气体的输送和压缩。本发明具有易加工，易损件少，啮合好，磨损少，噪声低，成本低，寿命长等优点。

Description

一种变螺距的同向啮合双螺杆压缩机转子及压缩机
技术领域
本发明属于转子加工领域，具体涉及一种变螺距的同向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，在石油、化工等行业上已被广泛的应用。双螺杆压缩机有一对相互啮合的阴阳转子，其与机壳一起形成压缩机的基元容积。目前现有的双螺杆压缩机具有一对互相啮合、相反旋向的螺旋形齿的转子，均为同步反向旋转结构，螺杆的驱动采用同步齿轮传动，因此不可避免带来成本和噪音问题。另一方面，为满足啮合条件以及考虑到泄漏和效率等其它因素，阴阳转子的型线方程较为复杂，通常由多段曲线首尾相接组成，加工起来较为麻烦，而且双螺杆压缩机对其阴阳转子的加工精度也有较高要求。一直以来，研究人员们不断地寻找新的满足啮合关系的简单高效转子型线，使转子的加工难度降低，提高精度，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型线复杂且不易加工的问题，提供一种变螺距的同向啮合双螺杆压缩机转子及压缩机，该压缩机转子的加工难度低，运行噪声小，能够达到较高的内压缩比。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种变螺距的同向啮合双螺杆压缩机转子，包括型线均为偏心的圆形结构的两个转子，偏心距e相等，两个转子的型线相同并相切，两个转子的节圆半径rp1、rp2与型线的半径r相等，两个转子的外形由两个转子的型线经变螺距的螺旋线引导形成；两个转子绕各自的节圆圆心以相同的角速度同时顺时针或逆时针进行旋转时始终保持啮合关系。
作为本发明双螺杆压缩机转子的一种优选方案，两个转子中的第一转子由第一转子型线以螺距由P1-P2-P3变化的螺旋线为引导线扫描形成，第二转子由第二转子型线以螺距由L1-L2-L3变化的螺旋线为引导线扫描形成。
作为本发明双螺杆压缩机转子的一种优选方案，两个转子的螺距满足：P1＝L1，P2＝L2，P3＝L3，两个转子啮合转动时实现基元容积的减小过程。
作为本发明双螺杆压缩机转子的一种优选方案，两个转子的外形由两个转子的型线半径r与两个转子的型线偏心距e之比进行控制。
作为本发明双螺杆压缩机转子的一种优选方案，两个转子的节圆半径rp1、rp2与型线的半径r之间满足如下关系：
Figure BDA0003040088000000021
作为本发明双螺杆压缩机转子的一种优选方案，两个转子中的第一转子的型线参数方程为：
Figure BDA0003040088000000022
作为本发明双螺杆压缩机转子的一种优选方案，两个转子中的第二转子的型线参数方程为：
Figure BDA0003040088000000023
作为本发明双螺杆压缩机转子的一种优选方案，两个转子的螺旋线转角γ1与γ2满足如下条件：γ1＝γ2。
本发明还提供一种变螺距的同向啮合双螺杆压缩机，包括机壳以及布置在机壳内的转子，转子所述变螺距的同向啮合双螺杆压缩机转子；机壳上开设有吸气孔口和排气孔口；随着两个转子的同向转动，转过的角度
Figure BDA0003040088000000024
从0°到360°变化时能够实现吸气容积从0到最大的变化过程，达到吸气容积最大时与吸气孔口断开，进入压缩过程；完成吸气过程的基元容积腔随着转子的旋转，螺距不断减小，使得齿间容积不断减小，密封在齿间容积中的气体所占据的体积也随之减小，导致压力升高，从而实现气体的压缩过程，当该基元容积腔与排气孔口连通后，开始排气过程。
作为本发明同向啮合双螺杆压缩机的一种优选方案，所述的排气孔口开设在机壳端面的排气端盖上，排气孔口为径向排气口与轴向排气口组成的混合排气口，径向排气口为机壳的内壁轴向挖空一段形成。
相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：采用了相同型线的两个螺杆转子，两个转子的型线均为偏心的圆形结构，两个转子绕各自的节圆圆心以相同的角速度同时顺时针或逆时针进行旋转时始终保持啮合关系，转子形状可以通过改变偏心距e与型线的半径r之间的关系进行灵活调整，两个转子的外形由两个转子的型线经变螺距的螺旋线引导形成，螺距的变化可使基元容积随转子旋转逐渐变小，通过两个螺杆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，实现气体的输送和压缩。由于两个螺杆转子一模一样，加工容易的同时可以提高精度，本发明变螺距的同向啮合双螺杆压缩机转子整体上具有易加工，易损件少，啮合好，磨损少，噪声低，成本低，寿命长等优点。
相较于现有技术，本发明变螺距的同向啮合双螺杆压缩机，通过两个螺杆转子的同向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，实现气体的输送和压缩，具有制造成本低、转子啮合顺滑、噪声小以及使用寿命长的优点。
进一步的，本发明双螺杆压缩机的排气孔口为径向排气口与轴向排气口组成的混合排气口，配合变螺距的设计，可以实现气体的压缩过程的同时达到较大的内压缩比。
附图说明
图1本发明同向啮合双螺杆压缩机转子型线示意图；
图2本发明转子型线的啮合关系变化过程示意图；
图3(a)本发明双螺杆压缩机转子的结构示意图；
图3(b)本发明双螺杆压缩机的剖面结构示意图；
图4本发明双螺杆压缩机转子工作过程基元容积腔变化示意图；
图5(a)本发明参数r＝e时双螺杆压缩机转子型线示意图；
图5(b)本发明参数r＝2e时双螺杆压缩机转子型线示意图；
图5(c)本发明参数r＝3e时双螺杆压缩机转子型线示意图；
图6本发明吸气过程的实现原理示意图；
图7本发明压缩过程的实现原理示意图；
图8(a)本发明径向排气口的开设位置三维示意图；
图8(b)本发明径向排气口的开设位置剖面示意图；
图8(c)本发明轴向排气口的开设位置示意图；
图9本发明排气过程的实现原理示意图；
图10本发明转子结构的工作腔容积变化与转角关系示意图；
附图中：1-机壳；2-吸气孔口；3-排气孔口；4-排气端盖；5-径向排气口；6-轴向排气口。
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1-2，本发明提出一种变螺距的同向啮合双螺杆压缩机转子，采用将两转子型线均设计为偏心的圆形结构(圆O3、圆O4)，可以看作将两个相同并相切的圆在平面坐标系中分别以各自圆心为原点向所有方向均平移e，这样每次平移所新形成的两个圆形都仍然是相切关系。不难看出，这就相当于两个端面型线圆绕着各自的节圆圆心以相同的角速度ω同时顺时针或逆时针作旋转运动时，可时刻保持着啮合关系。因此，两个转子的节圆半径rp1、rp2与端面型线圆的半径r必须保持相等，两个转子的型线圆偏心距e也必须相等，这样两个螺杆转子才能在同向同速旋转运动中时刻实现无干涉的啮合。如图3(a)及图3(b)所示，将两个转子型线经变螺距的螺旋线引导后，可分别生成两个螺杆转子。如图4所示，两个转子的啮合转动配合机壳可以实现内部腔体的容积周期性变化，实现气体的输送和压缩功能。如图5(a)，图5(b)及图5(c)所示，两个转子型线可以通过改变偏心距与偏心圆半径的关系进行调整。如图6所示，两个转子在运动过程中随着齿间容积的扩大，内部形成了一定的真空，而齿间容积又仅与吸气孔口连通，因此气体便在压差作用下流入其中并满足其容积从0到最大的过程。如图7所示，随着螺距由大到小的变化，齿间容积缩小，对气体进行压缩。如图8(a)、图8(b)及图8(c)所示，排气端设计有径向与轴向混合的排气孔口。如图9所示，随着齿间容积与排气孔口连通，将高压气体排出。
如图1所示，两个转子中心O1与O2的距离为2r。两个转子的节圆半径分别rp1与rp2，第一转子和第二转子端面型线相同，第一转子的端面型线为一偏心放置的圆，其半径为r，其圆心O3与其转子节圆圆心O1的距离均为e。两转子型线的可变参数为：偏心距e与半径r。
如图2所示，两个螺杆转子型线可以实现无干涉的啮合。
如图3(a)、图3(b)、图4所示，第一转子由第一转子型线以变螺距(P1-P2-P3)的螺旋线为引导线扫描形成，第二转子由第二转子型线以变螺距(L1-L2-L3)的螺旋线为引导线扫描形成。两转子按照各自轴以相同角的速度ω同向旋转，可以实现无干涉的啮合运行，实现基元容积的变化。如图5(a)，图5(b)及图5(c)所示，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。
两个螺杆转子的节圆半径与圆形半径之间的关系为：
Figure BDA0003040088000000051
第一转子的型线圆O3的参数方程为：
Figure BDA0003040088000000052
第二转子的型线圆O4的参数方程为：
Figure BDA0003040088000000061
两螺杆转子的引导螺旋线导程P与L满足如下条件：
L＝P
两螺杆转子的螺旋线转角γ1与γ2满足如下条件：
γ1＝γ2
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(第一转子引导螺旋线导程P与转角γ1)。改变半径与中心距的之间的比例关系，获得图5所示的同向旋转双螺杆转子型线。
如图6所示，两个螺杆转子和机壳可形成三个基元容积腔，设计合理的吸气孔口2，随着两转子同向转动，转过的角度
Figure BDA0003040088000000062
从0°到360°，可实现吸气容积从0到最大的变化过程，到容积最大时自动与吸气孔口断开连接，进行压缩过程。同时，可以看出，当一个基元容积腔转过180°时，下一个基元容积便与吸气孔口2连通，开始吸气过程。
如图7所示，完成吸气过程的基元容积腔，随着转子的旋转，螺距不断减小，因此，齿间容积不断减小。被密封在齿间容积中的气体所占据的体积也随之减小，导致压力升高，从而实现气体的压缩过程。当该基元容积腔与设计的排气孔口3连通后，开始排气过程。
如图8(a)、图8(b)及图8(c)所示，为降低排气流速得到最大的通流面积，在开设轴向排气口6的同时，还将机壳1的内壁沿轴向挖空一段作为径向排气口5。通过改变挖空段的深度和大小，可以调节压缩机的压缩比和容积流量。
如图9所示，随着转子的旋转，完成压缩过程的基元容积腔与的排气孔口3连通后，开始排气过程。当所有气体排出该基元容积腔后，与排气孔口断开，排气过程结束。
如图10所示，本发明变螺距同向啮合双螺杆转子的工作腔容积变化随转角快速下降，从而实现同向啮合双螺杆机构的气体输送和压缩功能。
综上，本发明可通过两螺杆转子的旋向和螺距的变化以满足内压缩比的设计要求，从而达到压缩气体的目的。内压缩比最终由P1，P3这两个参数以及排气孔口具体形状所决定。
实施例
本发明同向啮合双螺杆压缩机转子的第一转子型线为圆O3，第二转子型线为圆O4。本发明的两个螺杆转子由相应转子型线绕引导螺旋线扫描而成，其独立参数有转子中心距e，第一转子型线半径r，第一转子引导螺旋线导程P与转角γ1。其设计过程如下：
1、由体积大小、抽气速率与内容积比优选转子偏心距e，第一转子型线半径r与第一转子导程P。如图1所示，取两螺杆转子型线偏心距e为15mm，第一转子型线半径r为40mm，第二转子型线半径r为40mm，第一转子螺旋线导程P1为120mm，P2为100mm，P3为60mm。
2、由转子的受力性能等要求优选第一转子螺旋线转角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：
Figure BDA0003040088000000071
确定第一转子型线圆O3。
利用下式：
Figure BDA0003040088000000072
确定第二转子型线圆O4。
4、利用上述优选参数进行两螺杆转子螺旋引导线的获取。
第一转子的引导螺旋线导程为P，转角为γ1。
第二转子的引导螺旋线导程为L，转角为γ2，由以下公式获取：
Figure BDA0003040088000000073
5、利用上述获取的两螺杆转子型线由转子螺旋引导线扫描而成螺杆转子结构。
本发明变螺距的同向啮合双螺杆压缩机转子采用特别的端面型线，使得两个螺杆在三维空间上实现了完全啮合，有效密封被压缩气体，尤其以采用两螺杆同步转动，无需润滑传动，气流和螺杆转子运动方向相同，有效降低了噪声。此外，两转子采用了变螺距的形式，采用本发明中的双螺杆转子结构可以达到较高的内压缩比。而且其型线设计简易，配合轴径向混合的排气孔口设计，相比现有技术而言，大大降低了双螺杆压缩机的制造成本。尤其对于转子型线，没有了以往阴转子型线的内凹线段，使得转子加工方式多样化，可以增加零件的加工精度。与现有的阴阳螺杆压缩机相比，本发明只需要加工相同的转子，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。而且本发明中两螺杆转子由于完全相同，所以它们会啮合得更加紧密，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，进一步降低了压缩机的噪声，提高了转子的使用寿命。
以上所述的仅为本发明的部分实施例而已，并不用于限制本发明的技术方案，对于本领域的技术人员而言，本发明还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、同等替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变螺距的同向啮合双螺杆压缩机转子，其特征在于：包括型线均为偏心的圆形结构的两个转子，偏心距e相等，两个转子的型线相同并相切，两个转子的节圆半径rp1、rp2与型线的半径r相等，两个转子的外形由两个转子的型线经变螺距的螺旋线引导形成；两个转子绕各自的节圆圆心以相同的角速度同时顺时针或逆时针进行旋转时始终保持啮合关系。
2.根据权利要求1所述变螺距的同向啮合双螺杆压缩机转子，其特征在于：两个转子中的第一转子由第一转子型线以螺距由P1-P2-P3变化的螺旋线为引导线扫描形成，第二转子由第二转子型线以螺距由L1-L2-L3变化的螺旋线为引导线扫描形成。
3.根据权利要求2所述变螺距的同向啮合双螺杆压缩机转子，其特征在于：两个转子的螺距满足：P1＝L1，P2＝L2，P3＝L3，两个转子啮合转动时实现基元容积的减小过程。
4.根据权利要求1所述变螺距的同向啮合双螺杆压缩机转子，其特征在于：两个转子的外形由两个转子的型线半径r与两个转子的型线偏心距e之比进行控制。
5.根据权利要求1所述变螺距的同向啮合双螺杆压缩机转子，其特征在于，两个转子的节圆半径rp1、rp2与型线的半径r之间满足如下关系：
Figure FDA0003040087990000011
6.根据权利要求1所述变螺距的同向啮合双螺杆压缩机转子，其特征在于，两个转子中的第一转子的型线参数方程为：
Figure FDA0003040087990000012
7.根据权利要求6所述变螺距的同向啮合双螺杆压缩机转子，其特征在于，两个转子中的第二转子的型线参数方程为：
Figure FDA0003040087990000013
8.根据权利要求1所述变螺距的同向啮合双螺杆压缩机转子，其特征在于，两个转子的螺旋线转角γ1与γ2满足如下条件：γ1＝γ2。
9.一种变螺距的同向啮合双螺杆压缩机，其特征在于：包括机壳(1)以及布置在机壳(1)内的转子，转子采用如权利要求1-8中任意一项所述变螺距的同向啮合双螺杆压缩机转子；机壳(1)上开设有吸气孔口(2)和排气孔口(3)；随着两个转子的同向转动，转过的角度
Figure FDA0003040087990000021
从0°到360°变化时能够实现吸气容积从0到最大的变化过程，达到吸气容积最大时与吸气孔口(2)断开，进入压缩过程；完成吸气过程的基元容积腔随着转子的旋转，螺距不断减小，使得齿间容积不断减小，密封在齿间容积中的气体所占据的体积也随之减小，导致压力升高，从而实现气体的压缩过程，当该基元容积腔与排气孔口(3)连通后，开始排气过程。
10.根据权利要求9所述变螺距的同向啮合双螺杆压缩机，其特征在于：所述的排气孔口(3)开设在机壳(1)端面的排气端盖(4)上，排气孔口(3)为径向排气口(5)与轴向排气口(6)组成的混合排气口，径向排气口(5)为机壳(1)的内壁轴向挖空一段形成。
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