CN113357151B - 相交轴传动的外啮合锥形双螺杆压缩机转子及压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种相交轴传动的外啮合锥形双螺杆压缩机转子及压缩机，双螺杆压缩机转子包括相互啮合的阴阳转子，阴转子的型线为圆弧ab、B点的点啮合摆线bc、圆弧cd连接并镜像复制而成的曲线σ₁；阳转子的型线为圆弧AB、c点的点啮合摆线BC、圆弧CD连接并镜像复制而成的曲线σ₂；阴阳转子型线通过螺旋扫描得到阴阳转子三维模型，螺旋运动的同时端面大小逐渐减小，形成锥形结构；阴阳转子沿着阴阳转子节圆锥的中心线异方向啮合转动，随着阴阳转子转动，气体由大端处吸入，由小端处排出，基元容积沿轴向逐渐减小，完成吸气、压缩和排气过程。本发明能够简化螺杆压缩机转子的设计难度，提高空间利用率和压缩比，大幅度的降低噪声。

Description

相交轴传动的外啮合锥形双螺杆压缩机转子及压缩机

技术领域

本发明属于机械工程设计领域，具体涉及一种相交轴传动的外啮合锥形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。它继承了回转机械寿命长、运转可靠、振动小、噪音低、工作平稳以及无喘振现象等诸多优点，同时具有无气阀等易损件、强制吸排气和加工简单等特点，是空气供应、制冷以及余热回收等系统中的核心部件。目前，吸排气孔口的设计是双螺杆压缩机设计过程中的一个比较复杂的部分。螺杆压缩机吸气孔口的合理位置和形状，是实现气体压缩过程的必备条件，也是影响压缩机效率的一个重要因素。为此，吸气孔口的设计应该满足尽量减少吸气封闭容积的影响，保证齿间容积获得最大程度的充气的要求。

而螺杆压缩机排气孔口的位置和形状，应保证气体在齿间容积内实现预定的内压缩，以提高机器运转的经济性，对所要求的内容积比，必有一个对应的排气口。这些要求都给螺杆压缩机的设计带来了困难。而且，由于吸排气孔口的存在，当转子的齿经过吸排气孔口时，会产生噪声，特别是无油螺杆压缩机的转速通常较高，产生的噪声很大。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种相交轴传动的外啮合锥形双螺杆压缩机转子及压缩机，简化设计难度，提高空间利用率和压缩比，大幅度的降低噪声。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种相交轴传动的外啮合锥形双螺杆压缩机转子，包括相互啮合的阴阳转子，阴转子的型线为圆弧ab、B点的点啮合摆线bc、圆弧cd连接并镜像复制而成的曲线σ₁；阳转子的型线为圆弧AB、c点的点啮合摆线BC、圆弧CD连接并镜像复制而成的曲线σ₂；其中，圆弧AB与ab是一对相互啮合的型线，c点落在阴转子节圆锥的侧面上，C点落在阳转子节圆锥的侧面上，根据阴阳转子要求的齿数确定单个齿所占角度的大小，在阴阳转子节圆锥的侧面上分别取圆弧cd和CD，确定D点和d点的位置，圆弧cd和CD相互啮合；阴阳转子型线通过螺旋扫描得到阴阳转子三维模型，螺旋运动的同时端面大小逐渐减小，形成锥形结构；阴阳转子沿着阴阳转子节圆锥的中心线异方向啮合转动，随着阴阳转子转动，气体由大端处吸入，由小端处排出，基元容积沿轴向逐渐减小，完成吸气、压缩和排气过程。

作为本发明的一种优选方案，阳转子节圆锥的底面半径R₁、圆锥角δ₁与阴转子节圆锥的底面半径R₂、圆锥角δ₂之间满足：

θ＝δ₂+δ₁

其中，Z₁为阳转子的齿数，P₁为阳转子的螺距，

为阳转子的螺旋角；Z₂为阴转子的齿数，P₂为阴转子的螺距，

为阴转子的螺旋角。

作为本发明的一种优选方案，建立空间坐标系，坐标系OX₁Y₁Z₁与坐标系OX₂Y₂Z₂为固定在机架上的坐标系，坐标系OX₂Y₂Z₂是坐标系OX₁Y₁Z₁绕着OY₁旋转θ而生成的；从坐标系OX₁Y₁Z₁变换到坐标系OX₂Y₂Z₂的变换矩阵为M₁₂，从坐标系OX₂Y₂Z₂变换到坐标系OX₁Y₁Z₁的变换矩阵为M₂₁；M₁₂与M₂₁的计算表达式如下：

作为本发明的一种优选方案，在阴阳转子上分别建立动坐标系ox₁y₁z₁和ox₂y₂z₂，则从坐标系ox₁y₁z₁变换到坐标系OX₁Y₁Z₁的变换矩阵为M_m1，从坐标系OX₂Y₂Z₂变换到坐标系ox₂y₂z₂的变换矩阵为M_2m；M_m1与M_2m的计算表达式如下：

作为本发明的一种优选方案，阴阳转子节圆锥截面圆的相切点为M点，以瞬心线L为中心轴，O点为顶点，圆锥角为δ作圆锥E₁使M点落在该圆锥底面上，OM的长度为：

圆弧AB与ab的方程均为：

δ＝m*θ

其中，α为保护角，m为齿高系数。

作为本发明的一种优选方案，B点在坐标系ox₁y₁z₁的坐标为：

B点的点啮合摆线bc在坐标系ox₂y₂z₂的方程为：

其中Φ＝Φ₁，Φ₁，Φ₂满足：

阴转子节圆锥的侧面方程为：

X²+Y²＝(Z*tanδ₂)²

通过求解q₁确定出c点坐标；

同样的，c点的点啮合摆线BC的方程：

阳转子节圆锥的侧面方程为：

X²+Y²＝(Z*tanδ₁)²

通过求解q₂确定出C点坐标。

作为本发明的一种优选方案，圆弧cd的方程为：

其中，

圆弧CD的方程为：

其中，

作为本发明的一种优选方案，阴阳转子三维模型当中，阳转子的螺距P₁、螺旋角γ₁与阴转子的螺距P₂、螺旋角γ₂之间满足：

阳转子的角速度ω₁和阴转子的角速度ω₂满足：

式中，Z₁为阳转子的齿数，Z₂为阴转子的齿数。

本发明还提供一种压缩机，转子采用所述相交轴传动的外啮合锥形双螺杆压缩机转子。

相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：双螺杆压缩机是一种容积式压缩机，是依靠容积的变化来实现气体压缩，传统的双螺杆压缩机要想实现排气容积相对于吸气容积减小，就必须依靠吸排气孔口的合理设计，特别是排气孔口中排气角度的设计，这在一定程度上给螺杆压缩机的设计增加了难度。而本发明的转子为锥形结构，阴阳转子和机壳一起形成的密封腔的容积大小是沿着轴向方向逐渐减小的，这种锥形结构使得排气容积一定比吸气容积小，可使螺杆压缩机无需设计吸排气孔口就可以完成气体的压缩，大大简化了螺杆压缩机的设计难度，并且锥形结构可以较大的提高压缩比。而且没有了吸排气孔口也就意味着没有了不会出现转子齿经过吸排气孔口时所产生的噪声，对于无油螺杆压缩机来说，这部分噪声还是相当大的，因此本发明不仅可以简化结构，减少零部件，还可以大幅度的降低噪声。型线上本发明采用圆弧和点啮合摆线，而且为上下对称的型线，可以看出，如此使得本发明中转子和机壳之间的上下两个泄露三角形都较小，能够有效控制泄露。与现有技术相比，本发明具有结构简单、易损零部件少、空间利用率高、噪声低、泄露少以及压比大等优点。

进一步的，本发明的转子型线求解过程可以看出，方程中的独立变量多，转子形状变化方式多，面对不同的工况要求，本发明能够通过调整独立变量以达到应用不同的压缩比和排气量的要求，在同等工况要求下本发明更加紧凑，空间利用率更高，噪音更低。

附图说明

图1本发明与机架固结的坐标系和节圆锥示意图；

图2本发明与阴阳转子固结的动坐标系示意图：

(a)与阳转子固结的动坐标系；(b)与阴转子固结的动坐标系；

图3本发明阴阳转子圆弧型线生成示意图：(a)三维视图；(b)俯视图；

图4本发明阴阳转子完整型线示意图；

图5本发明阴阳转子三维模型示意图：(a)阴转子三维模型；(b)阳转子三维模型；

图6本发明阴阳转子装配示意图；

图7本发明阴阳转子啮合转动过程示意图；

图8本发明转子型线调控示意图：

(a)Z₁＝2，Z₂＝3，m＝0.4，α＝10°，δ₁＝9°；(b)Z₁＝2，Z₂＝3，m＝0.2，α＝10°，δ₁＝9°；(c)Z₁＝2，Z₂＝3，m＝0.4，α＝10°，δ₂＝18°；(d)Z₁＝4，Z₂＝6，m＝0.3，α＝10°，δ₁＝9°；(e)Z₁＝2，Z₂＝3，m＝0.4，α＝15°，δ₂＝9°；(f)Z₁＝3，Z₂＝5，m＝0.3，α＝10°，δ₁＝9°。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提供一种相交轴传动的外啮合锥形双螺杆压缩机转子，如图1所示，根据空间啮合理论，首先建立空间坐标系，确定阴阳转子节圆锥。图中坐标系OX₁Y₁Z₁与坐标系OX₂Y₂Z₂为固定在机架上的坐标系，坐标系OX₂Y₂Z₂是坐标系OX₁Y₁Z₁绕着OY₁旋转θ而生成的。阳转子节圆锥的底面半径为R₁，圆锥角为δ₁，中心轴与OZ₁重合。阴转子节圆锥的底面半径为R₂，圆锥角为δ₂，中心轴与OZ₂重合。两节圆锥的重合母线为瞬心线L，r₁为阳转子节圆锥上任一截圆的半径，r₂为阴转子节圆锥上任一截圆的半径。如图2的(a)和(b)所示，在阴阳转子上分别建立动坐标系ox₁y₁z₁和ox₂y₂z₂。如图3的(a)和(b)所示，M点为阴阳转子节圆锥截面圆的相切点，以瞬心线L为中心轴，O点为顶点，圆锥角为δ作圆锥E₁使M点落在该圆锥底面上。然后取该圆锥底面圆上的一段圆弧AB作为阳转子的一段型线，圆弧AB对应的角度为α，该圆弧也是阴转子上的一段型线ab，因为该圆弧的法线始终通过瞬心线L，所以圆弧AB与ab是一对相互啮合的型线，而且是整条曲线同时啮合。如图4所示，求出阳转子上B点的点啮合摆线bc作为阴转子的一段型线，c点落在阴转子节圆锥的侧面上，然后求出阴转子上c点的点啮合摆线BC作为阳转子的一段型线，C点落在阳转子节圆锥的侧面上。根据阴阳转子要求的齿数确定单个齿所占角度的大小，在阴阳转子节圆锥的侧面上分别取圆弧cd和CD，确定D点和d点的位置，cd和CD自然地符合啮合条件。将ABCD连接起来，并通过对称得到一个完整齿的型线，旋转复制得到阳转子的整条型线σ₁。将abcd连接起来，并通过对称得到一个完整齿的型线，旋转复制得到阴转子的整条型线σ₂。如图5的(a)和(b)所示，将阴阳转子型线通过螺旋扫描得到阴阳转子三维模型，螺旋运动的同时M点的位置沿着瞬心线下移，端面大小逐渐减小，形成锥形。如图6所示，阴阳转子沿着阴阳转子节圆锥的中心线异方向转动，可完成正确的啮合，与机壳一起形成基元容积。如图7所示，随着阴阳转子转动，气体由大端处吸入，小端处排出，基元容积沿轴向逐渐减小，完成吸气、压缩和排气过程。如图8的(a)至(f)所示，阴阳转子可根据独立变量进行灵活调控。

在图1中，阳转子节圆锥的底面半径R₁，圆锥角δ₁与阴转子节圆锥的底面半径R₂，圆锥角δ₂之间满足：

θ＝δ₂+δ₁

其中，Z₁，P₁，

为阳转子的齿数，螺距和螺旋角，Z₂，P₂，

为阴转子的齿数，螺距和螺旋角。

从坐标系OX₁Y₁Z₁变换到坐标系OX₂Y₂Z₂的变换矩阵为M₁₂。从坐标系OX₂Y₂Z₂变换到坐标系OX₁Y₁Z₁的变换矩阵为M₂₁。

在图2的(a)和(b)中，从坐标系ox₁y₁z₁变换到坐标系OX₁Y₁Z₁的变换矩阵为M_m1，从坐标系OX₂Y₂Z₂变换到坐标系ox₂y₂z₂的变换矩阵为M_2m。

在图3的(a)和(b)中，OM的长度为：

圆弧AB(ab)方程为：

δ＝m*θ

其中，α为保护角，m为齿高系数。

在图4中，bc为B点的点啮合摆线，B点在坐标系ox₁y₁z₁的坐标为：

bc在坐标系ox₂y₂z₂的方程为：

其中Φ＝Φ₁，Φ₁，Φ₂满足：

阴转子节圆锥的侧面方程为：

X²+Y²＝(Z*tanδ₂)²

将bc方程代入该公式即可求出q₁。将q₁代入bc方程就可以求出c点坐标。

用同样的方法求出c点的点啮合摆线BC的方程：

阳转子节圆锥的侧面方程为：

X²+Y²＝(Z*tanδ₁)²

将BC方程代入该公式即可求出q₂。将q₂代入BC方程就可以求出C点坐标。

cd方程为：

其中，

CD方程为：

其中，

AB，BC，CD连接起来即为阳转子单个齿的一半型线，通过对称得到单个齿的完整齿形，然后旋转复制得到阳转子的完整型线σ₁。ab，bc，cd连接起来即为阴转子单个齿的一半型线，通过对称得到单个齿的完整齿形，然后旋转复制得到阴转子的完整型线σ₂。

在图5的(a)和(b)中，阳转子型线螺旋扫描得到阳转子三维模型，螺距为P₁，螺旋角为γ₁，螺旋运动的同时截面大小发生变化，形成锥形。阴转子型线螺旋扫描得到阴转子三维模型，螺距为P₂，螺旋角为γ₂。Z₁为阳转子的齿数，Z₂为阴转子的齿数。阳转子的螺距P₁、螺旋角γ₁与阴转子的螺距P₂、螺旋角γ₂之间满足：

在图6中，阴阳转子异方向旋转，与机壳一起形成周期性的封闭容积，阳转子的角速度ω₁和阴转子的角速度ω₂满足：

在图7中，随着阴阳转子的旋转，基元容积由大端向小端方向逐渐减小，实现内压缩过程，被压缩的流体从大端处吸入，小端处排出。

在图8的(a)至(f)中，阴阳转子型线形状可根据独立变量进行灵活控制。

以上求解过程中的独立变量为：型线的独立变量(阴阳转子齿数Z₁，Z₂，保护角α，齿高系数m，阳转子节圆锥底面半径R₁与圆锥角δ₁)与螺旋扫描的独立变量(阳转子螺距P₁和螺旋角γ₁)。在具体设计过程中，可根据不同的工况要求调整上述独立变量。

实施例

本发明的相交轴传动的外啮合锥形双螺杆压缩机转子，阴阳转子型线皆为圆弧和点啮合摆线的组合曲线，阴阳转子型线通过螺旋扫描得到阴阳转子三维模型，螺旋运动的同时截面大小逐渐发生变化，以形成锥形结构。其独立参数有阴阳转子齿数Z₁，Z₂，保护角α，齿高系数m，阳转子节圆锥底面半径R₁与圆锥角δ₁，内转子螺距P₁和螺旋角γ₁。其设计过程如下：

1)由体积大小与抽气速率优选阴阳转子齿数Z₁，Z₂，保护角α，齿高系数m，阳转子节圆锥底面半径R₁与圆锥角δ₁，阳转子螺距P₁和螺旋角γ₁，取阳转子齿数Z₁为2，阴转子齿数Z₂为3，保护角α为10°，齿高系数m为0.4，阳转子节圆锥的底面半径R₁为60mm，阳转子节圆锥的圆锥角δ₁为9°，阳转子螺距P₁为180mm。

2)由气体的密封性要求、受力性能等要求优选阳转子螺旋角γ₁为560°。

3)利用上述优选参数进行转子型线的求解。

利用下式求出AB和ab：

利用下式求出bc：

利用下式求出BC：

利用下式求出cd：

利用下式求出CD：

将AB，BC，CD连接起来即为阳转子单个齿的一半型线，通过对称得到单个齿的完整齿形，然后旋转复制得到阳转子的完整型线σ₁。ab，bc，cd连接起来即为阴转子单个齿的一半型线，通过对称得到单个齿的完整齿形，然后旋转复制得到阴转子的完整型线σ₂。

将阴阳转子型线螺旋扫描得到阴阳转子三维模型。

本发明的双螺杆转子结构可实现气体的加压与运输过程，采用相交轴传动的空间外啮合方式，提高了结构的空间利用率，减少了零部件，避免了吸排气空口的设计，能够达到较大的压缩比，有效地降低了噪声。相比于常规的双螺杆压缩机，本发明的双螺杆转子具有易损件少、结构紧凑、抽气速率高、无喘振、泄露少以及振动噪音小等优点。

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书所涵盖的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种相交轴传动的外啮合锥形双螺杆压缩机转子，其特征在于：包括相互啮合的阴阳转子，阴转子的型线为圆弧ab、B点的点啮合摆线bc、圆弧cd连接并镜像复制而成的曲线σ₁；阳转子的型线为圆弧AB、c点的点啮合摆线BC、圆弧CD连接并镜像复制而成的曲线σ₂；其中，圆弧AB与ab是一对相互啮合的型线，M点为阴阳转子节圆锥截面圆的相切点，以瞬心线L为中心轴，O点为顶点，圆锥角为δ作圆锥E₁使M点落在该圆锥底面上，然后取该圆锥底面圆上的一段圆弧AB作为阳转子的一段型线，圆弧AB对应的角度为α，该圆弧也是阴转子上的一段型线ab，c点落在阴转子节圆锥的侧面上，C点落在阳转子节圆锥的侧面上，根据阴阳转子要求的齿数确定单个齿所占角度的大小，在阴阳转子节圆锥的侧面上分别取圆弧cd和CD，确定D点和d点的位置，圆弧cd和CD相互啮合；阴阳转子型线通过螺旋扫描得到阴阳转子三维模型，螺旋运动的同时端面大小逐渐减小，形成锥形结构；阴阳转子沿着阴阳转子节圆锥的中心线异方向啮合转动，随着阴阳转子转动，气体由大端处吸入，由小端处排出，基元容积沿轴向逐渐减小，完成吸气、压缩和排气过程。

2.根据权利要求1所述相交轴传动的外啮合锥形双螺杆压缩机转子，其特征在于，阳转子节圆锥的底面半径R₁、圆锥角δ₁与阴转子节圆锥的底面半径R₂、圆锥角δ₂之间满足：

θ＝δ₂+δ₁

其中，Z₁为阳转子的齿数，P₁为阳转子的螺距，

为阳转子的螺旋角；Z₂为阴转子的齿数，P₂为阴转子的螺距，

为阴转子的螺旋角。

3.根据权利要求2所述相交轴传动的外啮合锥形双螺杆压缩机转子，其特征在于，建立空间坐标系，坐标系OX₁Y₁Z₁与坐标系OX₂Y₂Z₂为固定在机架上的坐标系，坐标系OX₂Y₂Z₂是坐标系OX₁Y₁Z₁绕着OY₁旋转θ而生成的；从坐标系OX₁Y₁Z₁变换到坐标系OX₂Y₂Z₂的变换矩阵为M₁₂，从坐标系OX₂Y₂Z₂变换到坐标系OX₁Y₁Z₁的变换矩阵为M₂₁；

M₁₂与M₂₁的计算表达式如下：

4.根据权利要求3所述相交轴传动的外啮合锥形双螺杆压缩机转子，其特征在于，在阴阳转子上分别建立动坐标系ox₁y₁z₁和ox₂y₂z₂，则从坐标系ox₁y₁z₁变换到坐标系OX₁Y₁Z₁的变换矩阵为M_m1，从坐标系OX₂Y₂Z₂变换到坐标系ox₂y₂z₂的变换矩阵为M_2m；

M_m1与M_2m的计算表达式如下：

式中，Φ₁的代表坐标系ox₁y₁z₁到坐标系OX₁Y₁Z₁的旋转角度，Φ₂代表坐标系OX₂Y₂Z₂到坐标系ox₂y₂z₂的旋转角度。

5.根据权利要求4所述相交轴传动的外啮合锥形双螺杆压缩机转子，其特征在于，阴阳转子节圆锥截面圆的相切点为M点，以瞬心线L为中心轴，O点为顶点，圆锥角为δ作圆锥E₁使M点落在该圆锥底面上，OM的长度为：

圆弧AB与ab的方程均为：

δ＝m*θ

其中，α为保护角，m为齿高系数。

6.根据权利要求5所述相交轴传动的外啮合锥形双螺杆压缩机转子，其特征在于：B点在坐标系ox₁y₁z₁的坐标为：

B点的点啮合摆线bc在坐标系ox₂y₂z₂的方程为：

其中Φ＝Φ₁，Φ₁，Φ₂满足：

阴转子节圆锥的侧面方程为：

X²+Y²＝(Z*tanδ₂)²

通过求解q₁确定出c点坐标；

同样的，c点的点啮合摆线BC的方程：

阳转子节圆锥的侧面方程为：

X²+Y²＝(Z*tanδ₁)²

通过求解q₂确定出C点坐标。

7.根据权利要求5所述相交轴传动的外啮合锥形双螺杆压缩机转子，其特征在于：圆弧cd的方程为：

其中，

圆弧CD的方程为：

其中，

8.根据权利要求1所述相交轴传动的外啮合锥形双螺杆压缩机转子，其特征在于：阴阳转子三维模型当中，阳转子的螺距P₁、螺旋角γ₁与阴转子的螺距P₂、螺旋角γ₂之间满足：

阳转子的角速度ω₁和阴转子的角速度ω₂满足：

式中，Z₁为阳转子的齿数，Z₂为阴转子的齿数。

9.一种压缩机，其特征在于：转子采用如权利要求1-8中任意一项所述相交轴传动的外啮合锥形双螺杆压缩机转子。

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