CN113530818A - 一种单头扭叶罗茨泵转子及罗茨泵 - Google Patents

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Abstract

一种单头扭叶罗茨泵转子及罗茨泵，单头扭叶罗茨泵转子包括相互啮合的第一转子和第二转子，第一转子的型线为偏心圆形结构，第二转子的型线为第一转子型线的包络线；第一转子和第二转子均为扭叶型，扭转方向相反；第一转子和第二转子分别沿各自转子型线以螺旋线为引导线扫描形成；第一转子和第二转子按照各自转轴以相同角速度异向旋转。一种罗茨泵，包括泵体，泵体内部开设有泵腔，泵腔能够容纳所述的单头扭叶罗茨泵转子，泵体上开设与泵腔连通的吸气孔口和排气孔口；第一转子和第二转子与泵腔形成封闭空间，啮合运行过程中由吸气孔口抽气，在泵腔内对气体压缩之后再由排气孔口排出。本发明能降低罗茨泵转子的加工难度，提高加工精度，降低噪音。

Description

一种单头扭叶罗茨泵转子及罗茨泵
技术领域
本发明属于机械工程设计领域，具体涉及一种单头扭叶罗茨泵转子及罗茨泵。
背景技术
罗茨泵是一种容积式回转泵，能够用于获得干燥、低污染的高真空环境，并压缩洁净气体，现代工业中在各类流体的压缩运输过程广泛应用。罗茨泵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，具有能效高、无气阀等易损件、强制吸排气、结构简单以及维护成本低等特点。
罗茨泵中的核心部件为两个转子，转子型线的设计决定了转子的结构，从而影响着泵的整体运行性能，对转子的创新设计也是设计与制造高性能罗茨泵的关键技术。
目前，大多数的罗茨泵转子按头数有两叶与三叶之分，按转子形状有直叶与扭叶之分。但是现有罗茨泵的制造工艺较为复杂，特别是受转子型线的制约，使得罗茨泵的加工和检修都比较困难，这大大限制了罗茨泵转子加工的成本与效率。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种单头扭叶罗茨泵转子及罗茨泵，能够降低罗茨泵转子的加工难度，提高加工精度，明显降低噪音，使用寿命长。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种单头扭叶罗茨泵转子，包括相互啮合的第一转子和第二转子，第一转子的型线为偏心圆形结构，第二转子的型线为第一转子型线的包络线；所述第一转子和第二转子均为扭叶型，扭转角为90°，第一转子和第二转子的扭转方向相反；所述的第一转子和第二转子分别沿各自转子型线以1/4圈的螺旋线为引导线扫描形成；第一转子和第二转子按照各自转轴以相同角速度异向旋转，啮合运行过程中实现气体的强制吸排气过程。
作为本发明罗茨泵转子的一种优选方案，第一转子的型线中心O1与第二转子的型线中心O2的距离为2r，第一转子的型线节圆半径rp1与第二转子的型线节圆半径rp2大小相等，第一转子的型线端面圆的半径为r，第一转子的型线端面圆的圆心O3与第一转子的型线节圆的圆心O1的距离为e；第二转子的端面型线为第一转子的型线端面圆的包络线；第一转子和第二转子的型线形状由r与e之比以及r的大小、rp1的大小来控制。
作为本发明罗茨泵转子的一种优选方案，所述第一转子的型线端面圆的参数方程为：
Figure BDA0003159188010000021
作为本发明罗茨泵转子的一种优选方案，所述第二转子的端面型线的参数方程为：
Figure BDA0003159188010000022
其中，中间变量
Figure BDA0003159188010000023
表示为：
Figure BDA0003159188010000024
一种罗茨泵，包括泵体，泵体内部开设有泵腔，泵腔能够容纳所述的单头扭叶罗茨泵转子，泵体上开设与泵腔连通的吸气孔口和排气孔口；第一转子和第二转子与泵腔形成封闭空间，啮合运行过程中由吸气孔口抽气，在泵腔内对气体压缩之后再由排气孔口排出。
作为本发明罗茨泵的一种优选方案，所述的泵腔包括用于容纳第一转子的第一圆柱形腔体以及用于容纳第二转子的第二圆柱形腔体，所述第一圆柱形腔体与第二圆柱形腔体轴向贯穿连通，第一转子和第二转子在连通部位实现啮合旋转。
作为本发明罗茨泵的一种优选方案，所述的泵腔沿转轴设置方向开设，吸气孔口由泵体的顶部开设，排气孔口由泵体的底部开设。
作为本发明罗茨泵的一种优选方案，所述的排气孔口连接排气通道，排气通道将排气孔口沿着水平方向引出，所述水平方向与转轴设置方向垂直。
作为本发明罗茨泵的一种优选方案，所述的吸气孔口以及排气通道的气体出口端部均设置有连接法兰。
作为本发明罗茨泵的一种优选方案，泵体的底部设置支座。
相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：第一转子和第二转子在三维空间上实现了完全啮合，本发明实现了一种单头扭叶罗茨泵转子，其型线设计简易，采用偏心圆及其包络线的设计，相比现有技术而言，大大降低了罗茨泵的制造成本。尤其对于转子型线，没有了以往型线的内凹线段，使得转子加工方式多样化，可以增加零件的加工精度，总体来说，降低了罗茨泵转子的加工难度。此外，由于第一转子和第二转子均为扭叶型，使得基元容积与排气口相通不是瞬时完成的，而是随着两转子的旋转逐步实现的，延缓了回流时间，减弱了回流强度，能够明显降低噪音。而且本发明中第一转子和第二转子由于全部是外凸曲线，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，也有效降低了罗茨泵的噪声，提高了转子的使用寿命。
附图说明
图1本发明转子端面型线示意图；
图2本发明转子型线啮合关系过程示意图；
图3本发明两转子结构示意图：(a)三维视图；(b)正视图；
图4本发明不同参数下两转子型线示意图：
(a)r＝4e；(b)r＝2e；(c)r＝4/3e；(d)rp1＝8/7r；(e)rp1＝r；(f)rp1＝8/9r；
图5本发明的罗茨泵整体结构三维示意图；
图6本发明的罗茨泵整体结构俯视示意图；
图7本发明罗茨泵的泵体三维结构示意图；
图8本发明的罗茨泵整体结构主视示意图；
图9本发明罗茨泵的两个转子工作过程原理图；
附图中：1-泵体；2-泵腔；3-吸气孔口；4-排气孔口；5-排气通道；6-支座；7-连接法兰。
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。
本发明提出一种单头扭叶罗茨泵转子，包括相互啮合的第一转子和第二转子，转子型线由偏心圆及其包络线组成，全部由外凸曲线组成，降低加工难度及成本；转子形状依据设计工况需要灵活可调，提高性能。如图1所示，本发明将第一转子型线设计为偏心圆形结构(圆O3)，第二转子型线为第一转子型线的包络线。如图2所示，两转子端面型线可以实现互不干涉的啮合关系。如图3的(a)和(b)所示，两转子均为扭叶型，扭转角为90°，两个啮合转子的扭转方向相反。如图4的(a)至(f)所示，两转子型线可以通过改变偏心距与偏心圆半径的关系以及改变偏心圆半径的大小进行调整。参见图5至图8，本发明提出的罗茨泵，包括泵体1，泵体1的内部开设有泵腔2，泵腔2能够容纳所述的单头扭叶罗茨泵转子，泵体1上开设与泵腔2连通的吸气孔口3和排气孔口4。泵腔2包括用于容纳第一转子的第一圆柱形腔体以及用于容纳第二转子的第二圆柱形腔体，第一圆柱形腔体与第二圆柱形腔体轴向贯穿连通，第一转子和第二转子在连通部位实现啮合旋转。泵腔2沿转轴设置方向开设，吸气孔口3由泵体1的顶部开设，排气孔口4由泵体1的底部开设。排气孔口4连接排气通道5，排气通道5将排气孔口4沿着水平方向引出，水平方向与转轴设置方向垂直。在泵体1的底部设置具有一定高度的支座6。吸气孔口3以及排气通道5的气体出口端部均设置有连接法兰7。第一转子和第二转子与泵腔2形成封闭空间，啮合运行过程中由吸气孔口3抽气，如图9所示，两转子的啮合转动配合机壳可以实现外压缩过程，进行气体的输送和压缩功能。
在图1中，本发明的单头扭叶罗茨泵转子，两转子中心O1与O2的距离为2r。两转子节圆半径分别rp1与rp2，并且大小相等，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的距离为e。第二转子的端面型线为偏心圆的包络线。
在图2中，两罗茨转子型线可以实现无干涉的啮合过程。
在图3的(a)和(b)中，两个转子分别由各自转子型线以1/4圈的螺旋线为引导线扫描形成，形成扭转角为90°的单头扭叶罗茨转子。两转子按照各自轴以相同角的速度ω异向旋转，利用同步齿轮或皮带轮进行传动，可以无干涉的啮合运行，实现气体的强制吸排气过程。
在图4的(a)至(f)中，两转子型线可由偏心圆半径r与中心距e之比和偏心圆半径r和节圆半径rp1来控制其形状。具体的，两罗茨转子的节圆半径的关系为：
rp1＝rp2
第一转子的型线端面圆的参数方程为：
Figure BDA0003159188010000051
第二转子的端面型线的参数方程即第一转子的型线端面圆的包络线参数方程为：
Figure BDA0003159188010000052
其中，中间变量
Figure BDA0003159188010000053
表示为：
Figure BDA0003159188010000054
转子型线的设计变量为：节圆半径rp1，偏心距e，偏心圆半径r与转子扭转角γ。
本发明还提供一种罗茨泵，如图5至8所示，具有所述的罗茨泵转子。
在图9中，本发明提出的单头扭叶罗茨泵工作时转子开始旋转，被抽气体从吸气孔口3进入泵腔2内，转子与腔体形成封闭空间，气体被封闭在其中，之后再经由排气孔口4排出泵腔2。因为被吸入泵腔2空间内的气体并没有被压缩，随着转子的顶部转过排气孔口4边缘，这时泵腔2与排气侧连通，由于排气侧气体压力较高，有部分高压气体返流到泵腔2内，使泵腔2内的压力突然升高达到排气压力。此即所谓的外压缩过程。随着转子继续旋转，被抽气体不断被排出泵外。单头扭叶罗茨泵不断运行，即可达到气体的输送和压缩的效果。
综上，本发明可以通过单头扭叶转子的结构实现各类气体的压缩运输过程。各性能参数最终由rp1，e，r与转子扭转角γ这几个参数以及吸排气孔口具体形状所决定。
本发明提出的单头扭叶罗茨泵转子型线，解决了现有罗茨泵不可避免的加工难度和成本问题。且两转子形状简易，加工容易的同时可以提高精度。整体上这种简化的型线具有易加工、易损件少、啮合好、磨损少、成本低及寿命长等优点。同时本发明采用改变转子扭转角的方式，可以实现气体运输压缩过程的同时减小机器的噪声。综上，本发明提出的一种单头扭叶罗茨泵转子及罗茨泵，未来可用于低成本、易加工且可以大批量生产的罗茨泵领域。
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)

1.一种单头扭叶罗茨泵转子，其特征在于，包括相互啮合的第一转子和第二转子，第一转子的型线为偏心圆形结构，第二转子的型线为第一转子型线的包络线；所述第一转子和第二转子均为扭叶型，扭转角为90°，第一转子和第二转子的扭转方向相反；所述的第一转子和第二转子分别沿各自转子型线以1/4圈的螺旋线为引导线扫描形成；第一转子和第二转子按照各自转轴以相同角速度异向旋转，啮合运行过程中实现气体的强制吸排气过程。
2.根据权利要求1所述的单头扭叶罗茨泵转子，其特征在于：第一转子的型线中心O1与第二转子的型线中心O2的距离为2r，第一转子的型线节圆半径rp1与第二转子的型线节圆半径rp2大小相等，第一转子的型线端面圆的半径为r，第一转子的型线端面圆的圆心O3与第一转子的型线节圆的圆心O1的距离为e；第二转子的端面型线为第一转子的型线端面圆的包络线；第一转子和第二转子的型线形状由r与e之比以及r的大小、rp1的大小来控制。
3.根据权利要求2所述的单头扭叶罗茨泵转子，其特征在于，所述第一转子的型线端面圆的参数方程为：
Figure FDA0003159187000000011
4.根据权利要求2所述的单头扭叶罗茨泵转子，其特征在于，所述第二转子的端面型线的参数方程为：
Figure FDA0003159187000000012
其中，中间变量
Figure FDA0003159187000000013
表示为：
Figure FDA0003159187000000014
5.一种罗茨泵，其特征在于：包括泵体(1)，泵体(1)内部开设有泵腔(2)，泵腔(2)能够容纳如权利要求1-4中任意一项所述的单头扭叶罗茨泵转子，泵体(1)上开设与泵腔(2)连通的吸气孔口(3)和排气孔口(4)；第一转子和第二转子与泵腔(2)形成封闭空间，啮合运行过程中由吸气孔口(3)抽气，在泵腔(2)内对气体压缩之后再由排气孔口(4)排出。
6.根据权利要求5所述的罗茨泵，其特征在于：所述的泵腔(2)包括用于容纳第一转子的第一圆柱形腔体以及用于容纳第二转子的第二圆柱形腔体，所述第一圆柱形腔体与第二圆柱形腔体轴向贯穿连通，第一转子和第二转子在连通部位实现啮合旋转。
7.根据权利要求5或6所述的罗茨泵，其特征在于：所述的泵腔(2)沿转轴设置方向开设，吸气孔口(3)由泵体(1)的顶部开设，排气孔口(4)由泵体(1)的底部开设。
8.根据权利要求7所述的罗茨泵，其特征在于：所述的排气孔口(4)连接排气通道(5)，排气通道(5)将排气孔口(4)沿着水平方向引出，所述水平方向与转轴设置方向垂直。
9.根据权利要求8所述的罗茨泵，其特征在于：所述的吸气孔口(3)以及排气通道(5)的气体出口端部均设置有连接法兰(7)。
10.根据权利要求5或8所述的罗茨泵，其特征在于：泵体(1)的底部设置支座(6)。
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