CN113586449B - 一种变转子型线双螺杆压缩机转子及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变转子型线双螺杆压缩机转子及设计方法，包括接收变转子型线的位置坐标数据；对接收的位置坐标数据进行拟合，绘制变转子的齿条型线；对齿条型线参数进行处理，获取变转子的阴阳转子型线。本发明通过改变齿条型线能够很方便的改变转子型线，并且适当调整齿条型线参数，可以使得不同截面转子型线可以完全不同，可以使得转子设计更加灵活。同时本发明进气侧可以提高进气量，增大压缩机进气量。排气侧通过减少工作容积，一方面加速压缩气体，增大排气孔口，减少排气损失，另一方面增大变型线螺杆转子的强度，降低排气侧高温高压对变型线螺杆转子的变形量，提升转子的可靠性。

Description

一种变转子型线双螺杆压缩机转子及设计方法
技术领域
本发明属于机械制造领域，涉及一种变转子型线双螺杆压缩机转子及设计方法。
背景技术
双螺杆压缩机由于其结构简单，安装方便，应用也越来越广泛。双螺杆压缩机性能的好坏主要取决于转子的性能。目前的螺杆压缩机转子基本是单一型线沿螺旋线扫掠形成的，单一型线的螺杆转子其在吸气、压缩和排气的过程中的速率是一致的，并没有考虑到不同阶段气体的性质不同，所要求的压缩速率的不同，转子强度不同。同时在排气孔口的设计方面，由于是不变型线的转子，因此可变范围小，导致排气孔口面积往往比较小，造成了排气时增加了流体的阻力，造成了能量的损失，同时增大了流场的扰动，继而增加了排气侧的噪声。由于不变型线转子在整个工质压缩的过程中压缩速率相同，导致排气侧的压缩速率过快，从而导致排气温度较高。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种变转子型线双螺杆压缩机转子及设计方法。本发明采用齿条法进行转子设计，通过修改齿条型线参数能够修改转子型线。同时采用B样条法，通过合理配置控制点坐标绘制齿条型线，并通过齿条法生成阴阳转子型线，使得转子型线变化更灵活，能更加充分利用型线变化的设计来优化压缩机的性能。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种变转子型线双螺杆压缩机转子的设计方法，包括以下步骤：
接收变转子型线的位置坐标数据；
对接收的位置坐标数据进行拟合，绘制变转子的齿条型线；
对齿条型线参数进行处理，获取变转子的阴阳转子型线。
本发明的进一步改进在于：
采用二阶B样条法对接收的位置坐标数据进行拟合，绘制变转子的齿条型线；采用齿条法对齿条型线参数进行处理，获取变转子的阴阳转子型线。
二阶B样条法的函数表达式为：
Figure BDA0003230195980000021
其中：
Figure BDA0003230195980000022
Figure BDA0003230195980000023
式中x0、x1、x2分别为P0、P1、P2点的横坐标，y0、y1、y2分别为P0、P1、P2点的纵坐标，t的取值范围为[0，1]。
采用齿条法对齿条型线参数进行处理，获取变转子的阴阳转子型线的具体方式为：
设置静止坐标系xfOfyf，x1o1y1、x2o2y2坐标系为阴阳转子动坐标系，xroryr为齿条动坐标系，齿条坐标系向下平移运动为正，x2o2y2坐标系沿o2顺时针旋转Φ2角度为正，x1o1y1坐标系沿o1逆时针旋转Φ1角度为正；
坐标变换方程式如下：
Figure BDA0003230195980000031
Figure BDA0003230195980000032
其中，rj1、rj2分别是左右两转子坐标系转子节圆半径；
根据运动关系，齿条型线上的啮合点处的法线过Of点，得到啮合条件式为：
Figure BDA0003230195980000033
在齿条坐标系中左右阴阳转子坐标系做纯滚动，两者的关系为：
Figure BDA0003230195980000034
其中，纯滚动是指左右阴阳转子坐标系是以各自的中心进行自转，齿条坐标系是沿着yr轴上下平移；L为齿条坐标系是沿着yr轴上下平移的距离。
一种变转子型线双螺杆压缩机转子，包括：阳转子和阴转子；
阳转子与阴转子通过同步齿轮相互联动；阴转子包括进气侧和排气侧，阴转子的进气侧的齿间高度与排气侧的齿间高度的比值为1.3，排气侧的齿间厚度与进气侧的齿间厚度的比值为1.7。
变转子型线双螺杆压缩机转子还包括第一轴颈、第一轴头、第二轴头、第二轴颈和第三轴头；所述第一轴颈、第一轴头和第二轴头位于阳转子上；所述第二轴颈和第三轴头位于阴转子上；第一轴头和第三轴头与同步齿轮相连。阳转子通过第一轴颈与压缩机外壳的第一轴承相连；阴转子通过第二轴颈与压缩机外壳的第二轴承相连。第一轴承和第二轴承分别位于压缩机的外壳的两侧。阳转子通过与电机相连，驱动变转子型线双螺杆压缩机转子转动。阳转子通过第二轴头与联轴器相连，联轴器与电机相连，驱动变转子型线双螺杆压缩机转子转动。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出了一种变转子型线双螺杆压缩机转子及设计方法，本发明采用B样条齿条法进行型线设计，通过改变齿条型线能够很方便的改变转子型线，并且适当调整齿条型线参数，可以使得不同截面转子型线可以完全不同，可以使得转子设计更加灵活。
进一步的，本发明阴转子进气侧的齿间高度与排气侧的齿间高度的比值为1.3，排气侧的齿间厚度与进气侧的齿间厚度的比值为1.7。从进气侧到排气侧，转子型线的齿间高度不断变小，齿间厚度不断变厚。进气侧可以有效的提高进气量，从而增大整个压缩机气量。排气侧通过减少工作容积，一方面加速压缩，增大排气孔口，减少排气损失，进而降低噪声提升效率，另一方面增大了转子的强度，有效的降低了排气侧高温高压的工质对于转子的变形量，提升了转子的可靠性。
进一步的，本发明根据工质在整个压缩过程中热力学性能的变化特点设计的变型线转子有效的利用了各个阶段工质的特性，使得整个压缩过程转子型线随着工质特性进行变化，提升了压缩机的效率。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的B样条齿条型线结构图；
图2为本发明的一种变转子型线双螺杆压缩机转子的阴转子吸排气侧型线对比图；
图3为本发明的一种变转子型线双螺杆压缩机转子的阳转子吸排气侧型线对比图；
图4为本发明采用的齿条法的坐标系图；
图5为本发明采用的B样条的示意图；
图6为本发明的一种变转子型线双螺杆压缩机转子的俯视结构示意图；
图7为本发明的一种变转子型线双螺杆压缩机转子的整体示意图；
图8为本发明的一种变转子型线双螺杆压缩机转子的进气口型线示意图；
图9为本发明的一种变转子型线双螺杆压缩机转子的排气口型线示意图。
其中：1-阳转子，2-阴转子，3-进气侧，4-排气侧，5-第一轴颈，6-第一轴头，7-第二轴头，8-第二轴颈，9-第三轴头。
具体实施方式
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。
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。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，图1为本发明的B样条齿条型线结构图。
本发明采用B样条齿条法，通过合理配置控制点坐标绘制齿条型线，并通过齿条法进行阴阳转子型线绘制。本发明通过改变相应控制点坐标可以达到灵活改变各个轴向截面转子型线的效果。如图2和图3所示，本发明的各个轴向截面转子型线不单是沿法线方向的等距变化，而是完全不同类型的型线，这样使得压缩机转子设计更加灵活。
参见图4，图4中的x1o1y1、x2o2y2坐标系为阴阳转子动坐标系，xroryr为齿条动坐标系，xfofyf为静止坐标系，假定齿条坐标系向下平移运动为正，则x2o2y2坐标系沿o2顺时针旋转Φ2角度为正，x1o1y1坐标系沿o1逆时针旋转Φ1角度为正。
坐标变换方程式如下：
Figure BDA0003230195980000071
Figure BDA0003230195980000072
其中，rj1、rj2分别是左右两转子坐标系转子节圆半径。
根据运动关系，齿条型线上的啮合点处的法线过Of点，得到啮合条件式为：
Figure BDA0003230195980000073
在齿条坐标系中左右阴阳转子坐标系做纯滚动，两者的关系为：
Figure BDA0003230195980000074
纯滚动是指左右阴阳转子坐标系是以各自的中心进行自转，齿条坐标系是沿着yr轴上下平移。
综上所述，齿条法是根据齿条型线的啮合关系获得对应的齿条运动的距离L，再根据齿条坐标系与左右阴阳转子坐标系之间的关系得到对应转子坐标系旋转的角度Φ1、Φ2，最后通过坐标变换方程得到阴阳转子对应的型线方程。
参见图5，图5中的P0、P1、P2的横坐标为x0、x1、x2，纵坐标为y0、y1、y2，拟合P0、P1、P2三点的B样条公式为
Figure BDA0003230195980000081
其中：
Figure BDA0003230195980000082
Figure BDA0003230195980000083
其中，t的取值范围为[0，1]。
参见图6和图7，本实施例给出一种变转子型线双螺杆压缩机转子，该转子在相向运动的过程中伴随着齿间容积的变化从而完成吸气、压缩和排气的动作。
本发明提出了一种变转子型线双螺杆压缩机转子，如图8和图9所示。本发明的阴转子2的进气侧3的齿间高度与排气侧4的齿间高度的比值为1.3，排气侧4的齿间厚度与进气侧3的齿间厚度的比值为1.7。从进气侧3到排气侧4，转子型线的齿间高度不断变小，齿间厚度不断变厚。本发明的螺旋转子进气侧3可以有效的提高进气量，从而增大整个压缩机气量。排气侧4通过减少工作容积，一方面加速压缩，增大排气孔口，减少排气损失，进而降低噪声提升效率，另一方面增大了转子的强度，有效的降低了排气侧4高温高压的工质对于转子的变形量，提升了转子的可靠性。
从进气侧3到排气侧4，转子型线的齿间高度从大逐渐变化为小，齿间厚度从薄逐渐变化为厚，阳转子1的齿底圆直径不变，通过降低齿顶圆来降低齿高，因此阳转子1会有一定的锥度，阴转子2齿顶圆直径不变，通过增大齿底圆直径来降低齿高。本发明通过改变型线降低工作容积，增加转子压缩速率，从而使得变型线转子的排气孔口面积较于常规螺杆转子的轴向排气孔口面积变大，从而减少流动损失，降低噪声，同时在压缩过程齿间高度减小，齿间厚度增加，有效的提高了转子的强度，避免了由于高温高压工质所带来的高负荷使得转子变形严重进而使得转子磨损严重甚至卡死的现象。
本发明的工作过程如下所示：
电机通过联轴器与阳转子1的第二轴头7相连，驱动阳转子1转动，第一轴头6通过同步齿轮带动第三轴头9转动，驱动阴转子2转动。伴随着阴转子2和阳转子1相向转动，其齿间容积不断变化，在一对齿的齿间容积逐渐增大，增加到最大时，压缩机完成吸气动作。伴随着转子的继续转动，齿间容积向排气侧4推移，一方面受靠近排气侧4机壳端面的阻挡，另一方面转子型线变化的影响，使得齿间容积减小，由于有两种压缩，比常规转子能够在更提前的位置达到排气压力，变转子型线螺杆转子的轴向排气孔口要比常规转子的轴向排气孔口大。当该对齿间容积内的工质压力达到排气压力时，该齿间容积与排气孔口相连，完成排气动作。
以上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。

Claims (4)

1.一种变转子型线双螺杆压缩机转子的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收变转子型线的位置坐标数据；
采用二阶B样条法对接收的位置坐标数据进行拟合，绘制变转子的齿条型线；
采用齿条法对齿条型线参数进行处理，获取变转子的阴阳转子型线。
2.根据权利要求1所述的一种变转子型线双螺杆压缩机转子的设计方法，其特征在于，所述二阶B样条法的函数表达式为：
Figure FDA0003770594830000011
其中：
Figure FDA0003770594830000012
Figure FDA0003770594830000013
式中x0、x1、x2分别为P0、P1、P2点的横坐标，y0、y1、y2分别为P0、P1、P2点的纵坐标，t的取值范围为[0，1]。
3.根据权利要求1所述的一种变转子型线双螺杆压缩机转子的设计方法，其特征在于，所述采用齿条法对齿条型线参数进行处理，获取变转子的阴阳转子型线的具体方式为：
设置静止坐标系xfOfyf，x1o1y1、x2o2y2坐标系为阴阳转子动坐标系，xroryr为齿条动坐标系，齿条坐标系向下平移运动为正，x2o2y2坐标系沿o2顺时针旋转Φ2角度为正，x1o1y1坐标系沿o1逆时针旋转Φ1角度为正；
坐标变换方程式如下：
Figure FDA0003770594830000021
Figure FDA0003770594830000022
其中，rj1、rj2分别是左右两转子坐标系转子节圆半径；
根据运动关系，齿条型线上的啮合点处的法线过Of点，得到啮合条件式为：
Figure FDA0003770594830000023
在齿条坐标系中左右阴阳转子坐标系做纯滚动，两者的关系为：
Figure FDA0003770594830000024
其中，纯滚动是指左右阴阳转子坐标系是以各自的中心进行自转，齿条坐标系是沿着yr轴上下平移；L为齿条坐标系是沿着yr轴上下平移的距离。
4.一种变转子型线双螺杆压缩机转子，其特征在于，包括：阳转子(1)、阴转子(2)、第一轴颈(5)、第一轴头(6)、第二轴头(7)、第二轴颈(8)和第三轴头(9)；
所述阳转子(1)与阴转子(2)通过同步齿轮相互联动；所述阴转子(2)包括进气侧(3)和排气侧(4)，所述阴转子(2)的进气侧(3)的齿间高度与排气侧(4)的齿间高度的比值为1.3，排气侧(4)的齿间厚度与进气侧(3)的齿间厚度的比值为1.7；
所述第一轴颈(5)、第一轴头(6)和第二轴头(7)位于阳转子(1)上；所述第二轴颈(8)和第三轴头(9)位于阴转子(2)上；第一轴头(6)和第三轴头(9)与同步齿轮相连；
所述阳转子(1)通过第一轴颈(5)与压缩机外壳的第一轴承相连；阴转子(2)通过第二轴颈(8)与压缩机外壳的第二轴承相连；所述第一轴承和第二轴承分别位于压缩机的外壳的两侧；所述阳转子(1)通过与电机相连，驱动变转子型线双螺杆压缩机转子转动；所述阳转子(1)通过第二轴头(7)与联轴器相连，联轴器与电机相连，驱动变转子型线双螺杆压缩机转子转动。
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