CN115596669A - 一种无油涡旋压缩机的涡盘结构及压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无油涡旋压缩机的涡盘结构及压缩机，包括静涡盘盖板、进气口盖板、机架、主轴以及涡盘结构；其中，涡盘结构包括静涡盘和动涡盘，静涡盘和动涡盘的涡圈型线相同；动涡盘相对于静涡盘的中心偏心布置，并且动涡盘与静涡盘的涡齿相互啮合，构成多对对称的月牙形压缩腔；静涡盘和动涡盘均设置在机架上；动涡盘与主轴相连；静涡盘的背面安装有进气口盖板和静涡盘盖板，静涡盘上开设有进气口和排气孔口，进气口与进气口盖板相连通，排气孔口与静涡盘盖板相连通。本发明中动涡盘涡圈、静涡盘涡圈能够保证径向间隙的密封性能并防止啮合点处动、静涡盘侧壁面直接接触造成磨损失效，能够更好地避免热变形造成的磨损失效、泄漏等问题。

Description

一种无油涡旋压缩机的涡盘结构及压缩机

技术领域

本发明属于空气压缩制冷技术领域，涉及一种容积式增压装置，具体涉及一种无油涡旋压缩机的涡盘结构及压缩机。

背景技术

现代工业中常常需要使用干净清洁的压缩气体，例如：在列车和大型汽车的制动系统中，为保证制动系统安全可靠，要求高压气不能含有润滑油；如果氧气在增压过程中含有润滑油，则会引发燃烧、爆炸；食品、制药等领域的产品不允许被润滑油污染等。这些领域都要求压缩机中的工质不能与润滑油接触，因此无油压缩机的需求甚广，而无油涡旋压缩机相较于其它类型的容积式压缩机具有结构紧凑、体积小、重量轻、噪音低、效率高、零减少易于装配的优势，无油涡旋压缩机的需求也越来越大。无油涡旋压缩机的基本原理是通过容积变化实现工质的压缩和输送。在涡旋压缩机中，压缩腔由动静涡盘构成，动静涡盘上分别具有相互啮合的涡圈，动涡盘偏心布置，并由主轴驱动沿着动涡盘的中心做平动旋转运动，在这种运动下，啮合和涡圈与底盘形成的压缩腔容积逐步变小，实现了压缩腔内工质的增压，一对压缩工作腔随着主轴的转动从形成到消失完成了吸气、压缩、排气三个过程。

然而，正因为无油涡旋压缩机不含有润滑油，其散热只能通过涡圈以及底盘的导热进行，散热效果不如含油压缩机，加上涡盘材料一般采用铝合金，热膨胀系数较大，硬度低，温度升高会引起涡圈热变形，造成啮合间隙变化，从而导致磨损、破坏、密封失效，因此如何针对性地优化温度对涡圈变形的影响是研究无油涡旋的重要方向。

发明内容

为了解决现有技术中涡圈热变形的问题，本发明的目的是提供一种无油涡旋压缩机，减小压缩机的热变形带来的不利影响。

本发明为了实现上述目的所采用的技术方案为：

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明结合具体实用情况，根据无油涡旋压缩机所处工况，对动静涡盘的涡圈型线和涡圈齿高加以修正，获得变壁厚和变齿高的涡圈，来更好的适应温度变化引起的涡圈的热变形，相对传统的涡圈，本发明能够更好地避免热变形造成的磨损失效、泄漏等问题。

进一步的，排气孔口的轮廓设计不仅加工性能良好，而且由于贴合涡圈型线，能够更快的打开排气孔，降低了排期阻力、消除了排气无效容积，从而提高了无油涡旋压缩机的效率、稳定性和使用寿命，有利于推广使用。

进一步的，涡圈外壁面和涡圈内壁面的基圆半径随着涡圈壁厚的变化而变化，以保证压缩机在运行过程中涡圈的正常啮合，压缩机在稳定工况下，温度影响涡圈使之发生热变形，而修正后的涡圈可以很好地应对此热变形，有效避免了热变形给压缩机带来的磨损失效、泄漏等问题。

进一步的，第三圆弧和连接圆弧完全相同，直线段与修正直线相同，配合涡圈型线，有利于提高排气孔口的打开速率。

进一步的，修正圆弧与内侧型线一阶连续，连接圆弧与外侧型线一阶连续，以提高涡圈始端的强度，消除排气无效容积。

附图说明

图1是本发明涡圈型线示意图。

图2是本发明动静涡圈啮合示意图。

图3是本发明排气孔口示意图。

图4是应用了本发明的无油涡旋压缩机装配图。

其中，1为静涡盘，2为动涡盘，3为静涡盘盖板，4为进气口盖板，5为机架，6为主轴，7为主轴承，8为副轴承，9为小曲拐，10为动涡盘轴承，11为固定螺钉，12为平衡重，101为涡圈外壁面，102为涡圈内壁面，103为修正圆弧，104为连接直线，105为连接圆弧，106为排气孔口，107为第一圆弧，108为第二圆弧，109为第三圆弧，110为直线段，111为连接圆弧，112为动涡盘外侧型线，113为修正直线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

本发明结合具体实用情况，根据无油涡旋压缩机所处工况，基于圆的渐开线型线初步模拟计算出压缩腔温度场，并根据温度场对动静涡盘的涡圈型线和涡圈齿高加以修正，获得变壁厚和变齿高的涡圈，来更好的适应温度变化引起的涡圈的热变形，相对传统的涡圈，本发明可以更好地避免热变形造成的磨损失效、泄漏等问题。本发明创造性的根据计算获得的温度场对压缩机的型线以及涡圈的齿高加以修正，获得变壁厚及变齿高的压缩机型线，从而减小压缩机的热变形带来的不利影响。

参见图1至图4，本发明是一种无油涡旋压缩机，包括静涡盘1、动涡盘2、静涡盘盖板3、进气口盖板4、机架5、主轴6、主轴承7、副轴承8、小曲拐9、动涡盘轴承10、固定螺钉11以及平衡重12。其中，所述机架5与静涡盘1通过固定螺钉11连接固定，保证压缩机地稳定运行；所述静涡盘1和动涡盘2相向安装，动涡盘2相对于静涡盘1的中心偏心布置，并且动涡盘2与静涡盘1的涡齿相互啮合，构成多对对称的月牙形压缩腔；该月牙形压缩腔由动涡盘、静涡盘涡圈以及动静涡盘端面围成；所述动涡盘2通过所述小曲拐9与所述机架5定位，保证动涡盘2在运转过程中不会发生自转。所述动涡盘2通过所述动涡盘轴承10与所述主轴6的曲轴连接；主轴6由所述主轴承7和所述副轴承8支撑，并在外动力的驱动下旋转，带动动涡盘2做平转运动，从而使得月牙形压缩腔容积变小直至排气，完成压缩过程；所述静涡盘1的背面安装有进气口盖板4和静涡盘盖板3，静涡盘1的进气口与进气口盖板4相通，静涡盘1上开设有排气孔口106，排气孔口106与静涡盘盖板3相通，形成了完整的气流通道。

在工作状态下，该无油涡旋压缩机由外部动力驱动主轴6旋转，主轴6上配有平衡重12，主轴6在旋转过程中受到的力矩；主轴6在旋转时通过动涡盘轴承10驱动动涡盘2做偏心的平动圆周运动，在运动过程中，静涡盘1和动涡盘2始终啮合，啮合形成的月牙形工作腔形成，并不断缩小，直至压缩终了进行排气。

压缩工质以空气为例，从进气口盖板4吸入，进入静涡盘1的吸气口完成上述压缩腔的压缩过程，从排气孔口106排出至静涡盘盖板4，最后从静涡盘盖板4的出口进入下一工业流程。由于无油涡旋压缩机不能内部散热，所述静涡盘1和动涡盘2的背部均设有风冷散热的翅片。需要特别指出的是，在压缩机设计初就先利用流体计算软件分析了温度场，根据此温度场对动静涡盘的型线进行了修正。

由于静涡盘1和动涡盘2的涡圈均基于圆的渐开线，修正后型线完全相同，在同一截面处，静涡盘1和动涡盘2的涡圈型线相位差180°。

下面以静涡盘1为例，对涡圈的结构进行描述。

如图1所示，上述压缩机包括涡盘结构，涡盘结构包括静涡盘1和动涡盘2，静涡盘1和动涡盘2的涡圈型线完全相同。

涡圈的外壁面101和内壁面102型线均基于圆的渐开线，并根据工作状态下的温度场进行修正，其中涡圈外壁面101型线满足：

式中，x_out为外侧型线的横坐标，y_out为外侧型线的纵坐标，φ为渐开的展角，ρ为动涡盘的回转半径，Φ_E为最大展角，t为涡圈壁厚。

同时，涡圈内侧型线102满足：

式中，x_in为内侧型线的横坐标，y_in为内侧型线的纵坐标，φ为渐开的展角，ρ为动涡盘的回转半径，Φ_E为最大展角，t为涡圈壁厚，所述壁厚t是根据温度场进行修正的，而沿着涡圈展角的温度场可以表示为展角的函数，因此，壁厚t是展角φ的函数，满足关系如下：

t＝f[T(φ)]＝t(φ)

式中，T为温度，f表示壁厚与温度之间的关系。

上述的涡圈外壁面101和涡圈内壁面102的基圆半径随着涡圈壁厚的变化而变化，以保证压缩机在运行过程中涡圈的正常啮合，压缩机在稳定工况下，温度影响涡圈使之发生热变形，而修正后的涡圈可以很好地应对此热变形，有效避免了热变形给压缩机带来的磨损失效、泄漏等问题。

上述涡圈始端，采用了对称圆弧加直线的方法进行了修正，修正段包括修正圆弧103，连接直线104以及连接圆弧105，修正圆弧103和连接圆弧105的半径均根据初始基圆取值，始端修正后可以防止加工刀具的干涉，并且可以消除无效容积，提高始端的强度，进一步提高压缩机寿命。

如图2所示，所述静涡盘1与所述动涡盘2的涡圈型线完全相同，静涡盘1与动涡盘2相向布置，静涡盘1被固定在机架上，而动涡盘2相对于静涡盘1的中心偏心布置，偏心距为ρ，静涡盘1与动涡盘2的涡圈实现了啮合，在啮合点间，静涡盘1的涡圈外壁面101和涡圈内壁面102与动涡盘2的外、内侧壁面形成了月牙形的压缩腔，无油涡旋压缩机在工作时，工质气体从进气口盖板4进入，压缩腔未形成，随着主轴转角的变化，压缩工作腔闭合形成，随着主轴的进一步转动，压缩腔逐渐变小，工质气体被压缩，当主轴转到排气角时，压缩腔和排气孔106相通，压缩过程结束，压缩结束的气体被排出排气孔口。

上述排气孔口106的截面由三段圆弧与一段直线构成，如图3所示，排气孔口106轮廓包括相连的第一圆弧107、第二圆弧108、第三圆弧109以及直线段110；其中，第一圆弧107一端与第二圆弧108一端相切，第二圆弧108另一端与第三圆弧109一端相切，直线段110一端与第三圆弧109另一端相切，直线段110另一端与第一圆弧107另一相切；第三圆弧109与涡圈的连接圆弧111完全相同，直线段110与涡圈的修正直线113完全相同，这种设计保证了压缩机在排气阶段排气孔口能够尽快打开，降低了排气阻力，同时排气孔口106第一圆弧107则在保证动涡盘在运转过程中不会发生泄漏的前提下，尽可能提高了排气孔口的截面积，增加空间利用率，提高了压缩机运行的效率。

动涡盘2与静涡盘1采用变壁厚的涡圈，以适应压缩机运行时由温度升高引起的热变形，使得动、静涡盘径向啮合间隙保持定值，避免涡圈侧壁面磨损失效。

动涡盘2和静涡盘1的型线根据压缩腔温度场进行修正，获得变壁厚的涡圈。其中，压缩腔温度场通过流体计算软件模拟得到。

动涡盘2的涡圈的始端修正为修正圆弧103、修正直线104、连接圆弧105三部分组成，三者一阶连续。

优选的，修正圆弧103与内侧型线102一阶连续，连接圆弧105与外侧型线101一阶连续，以提高涡圈始端的强度，消除排气无效容积。

优选的，动涡盘涡圈、静涡盘涡圈均采用可变壁厚型线，型线厚度由压缩机稳定运行时热变形量决定，涡圈内外啮合径向间隙保持定值，保证径向间隙的密封性能并防止啮合点处动、静涡盘侧壁面直接接触造成磨损失效；为了进步适应变壁厚的型线，涡圈的始端采用对称圆弧加直线修正，能够提升涡圈始端的强度；排气孔口为三段弧线加一段直线的半腰型截面设计，能够很好地配合动涡盘涡圈2修正后的涡圈型线，消除了排气无效容积，使得压缩机获得更高的效率。

缩机的排气孔口轮廓为三段弧线，分别为第一圆弧107，第二圆弧108，第三圆弧109，加一段直线段110，其中第三圆弧109和所述动涡盘连接圆弧111完全相同，另一端第二圆弧108与所述动涡盘外侧型线112的一部分相同，所述直线段110与动涡盘修正直线113相同，配合涡圈型线，有利于提高排气孔口的打开速率。

本发明无油涡旋压缩机的静涡盘和动涡盘涡圈型线均基于圆的渐开线，在设计之初对传统的型线利用流体计算软件分析压缩腔的温度场，获得涡圈温度和转角之间的关系，进而针对性地对每个转角处的涡圈壁厚和齿高进行修正，从而修正涡圈型线，使得无油压缩机能够更好地应对热变形带来的危害。对称圆弧加直线的型线修正能够提高涡圈始端的强度，避免刀具干涉，并且消除排气无效容积，提高了压缩机的稳定性。排气孔口的设计能够使得压缩机在排气阶段打开排气孔口的效率提升，并且排气孔口也足够大，提升了压缩机的排气效率。

以上仅为本发明的一个实例，并非因此限制本发明的范畴。为此，根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。如本发明上述实施例所述，采用与其相同或相似的结构而得到的其它结构的结构及压缩机，均在本发明保护范围内。

Claims (10)

1.一种涡盘结构，其特征在于，包括静涡盘1和动涡盘2，静涡盘1和动涡盘2的涡圈型线相同；动涡盘2相对于静涡盘1的中心偏心布置，并且动涡盘2与静涡盘1的涡齿相互啮合，构成多对对称的月牙形压缩腔。

2.根据权利要求1所述的一种涡盘结构，其特征在于，静涡盘1的涡圈外壁面101型线满足：

式中，x_out为外侧型线的横坐标，y_out为外侧型线的纵坐标，φ为渐开的展角，ρ为动涡盘的回转半径，Φ_E为最大展角，t为涡圈壁厚。

3.根据权利要求1所述的一种涡盘结构，其特征在于，涡圈内壁面102型线满足：

式中，x_in为内侧型线的横坐标，y_in为侧型线的纵坐标，φ为渐开的展角，ρ为动涡盘的回转半径，Φ_E为最大展角，t为涡圈壁厚。

4.根据权利要求1所述的一种涡盘结构，其特征在于，静涡盘1的涡圈始端相连的包括修正圆弧103、修正直线104以及连接圆弧105，修正圆弧103、修正直线104以及连接圆弧105一阶连续。

5.一种无油涡旋压缩机，其特征在于，包括静涡盘盖板3、进气口盖板4、机架5、主轴6以及涡盘结构；其中，涡盘结构包括静涡盘1和动涡盘2，静涡盘1和动涡盘2的涡圈型线相同；动涡盘2相对于静涡盘1的中心偏心布置，并且动涡盘2与静涡盘1的涡齿相互啮合，构成多对对称的月牙形压缩腔；静涡盘1和动涡盘2均设置在机架5上；动涡盘2与主轴6相连；静涡盘1的背面安装有进气口盖板4和静涡盘盖板3，静涡盘1上开设有进气口和排气孔口106，进气口与进气口盖板4相连通，排气孔口106与静涡盘盖板3相连通。

6.根据权利要求5所述的一种无油涡旋压缩机，其特征在于，静涡盘1的涡圈外壁面101型线满足：

式中，x_out为外侧型线的横坐标，y_out为外侧型线的纵坐标，φ为渐开的展角，ρ为动涡盘的回转半径，Φ_E为最大展角，t为涡圈壁厚。

7.根据权利要求5所述的一种无油涡旋压缩机，其特征在于，涡圈内壁面102型线满足：

式中，x_in为内侧型线的横坐标，y_in为内侧型线的纵坐标，φ为渐开的展角，ρ为动涡盘的回转半径，Φ_E为最大展角，t为涡圈壁厚。

8.根据权利要求5所述的一种无油涡旋压缩机，其特征在于，静涡盘1的涡圈始端相连的包括修正圆弧103、修正直线104以及连接圆弧105，修正圆弧103、修正直线104以及连接圆弧105一阶连续；

静涡盘1和动涡盘2的涡圈型线在同一截面处，静涡盘1和动涡盘2的涡圈型线相位差180°；动涡盘2与静涡盘1采用变壁厚的涡圈。

9.根据权利要求5所述的一种无油涡旋压缩机，其特征在于，动涡盘2型线的外侧型线包括连接圆弧111和修正直线113，第三圆弧109和连接圆弧111相同，直线段110与修正直线113相同；

排气孔口106轮廓包括相连的第一圆弧107、第二圆弧108、第三圆弧109以及直线段110；其中，第一圆弧107一端与第二圆弧108一端相切，第二圆弧108另一端与第三圆弧109一端相切，直线段110一端与第三圆弧109另一端相切，直线段110另一端与第一圆弧107另一相切；

主轴6上设置有平衡重12；静涡盘1和动涡盘2的背部均设置有用于翅片。

10.根据权利要求5所述的一种无油涡旋压缩机，其特征在于，压缩工质从进气口盖板4吸入，进入静涡盘1的吸气口；外部动力驱动主轴6旋转，主轴6通过动涡盘轴承10驱动动涡盘2做偏心的平动圆周运动，静涡盘1和动涡盘2始终啮合，啮合形成的月牙形工作腔不断缩小，直至压缩结束，压缩工质经排气孔口106排出至静涡盘盖板4，再经静涡盘盖板4的出口排出。

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