CN115614276B - 一种蜗杆式鼓风机转子及蜗杆式鼓风机 - Google Patents

Abstract

一种蜗杆式鼓风机转子及蜗杆式鼓风机，蜗杆式鼓风机转子包括第一转子和第二转子，第一转子为涡旋盘，第二转子为蜗杆，第一转子由等腰梯形产型面经平面阿基米德螺线引导而成，第二转子由等腰梯形产型面经空间螺旋线引导而成，两转子齿面完全相同；第一转子和第二转子绕各自轴线以相同角速度逆时针旋转并始终保持啮合，第一转子和第二转子转动时实现基元容积的减小从而实现气体压缩。蜗杆式鼓风机包括机壳以及设置在机壳内部的所述蜗杆式鼓风机转子，机壳上开设有吸气孔口与排气孔口。本发明转子加工难度低，型线简单且吸排气过程不间断，蜗杆式鼓风机具有加工方便、成本低、运转流畅、噪声小、气流脉动小，以及阻力损失小等优点，提高了工作寿命。

Description

一种蜗杆式鼓风机转子及蜗杆式鼓风机

技术领域

本发明属于回转式压缩机技术领域，具体涉及一种蜗杆式鼓风机转子及蜗杆式鼓风机。

背景技术

回转式压缩机是一种工作容积作回转运动的容积式气体压缩机械。气体的压缩依靠容积变化实现，而容积变化依靠压缩机的一个或数个转子在气缸作回转运动来达到。

目前以螺杆压缩机、涡旋压缩机等为代表的许多回转式压缩机，其转子型线均较为复杂，且转子运动表面多呈曲面形状，而这些曲面的加工及检验均较复杂，有些还需使用专业设备。

鉴于目前国内压缩机市场的快速发展，急需一种型线简单，加工方便的新型回转式压缩机以满足降低转子加工难度从而降低制造成本的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中回转式压缩机转子型线复杂且加工不便的问题，提供一种蜗杆式鼓风机转子及蜗杆式鼓风机，该鼓风机结构简单，转子加工难度低，运行噪声小，可实现较高转速。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种蜗杆式鼓风机转子，包括第一转子和第二转子，第一转子为涡旋盘，第二转子为蜗杆，第一转子由等腰梯形产型面经平面阿基米德螺线引导而成，第二转子由等腰梯形产型面经空间螺旋线引导而成，两转子齿面完全相同；第一转子和第二转子绕各自轴线以相同角速度逆时针旋转并始终保持啮合，第一转子和第二转子转动时实现基元容积的减小从而实现气体压缩。

作为优选，所述第一转子的形状由引导线起始圈数n、涡旋体节距P₁、涡旋体齿高h₁、涡旋体齿顶宽a₁以及涡旋体齿根宽b₁所定义；

所述第一转子的引导线参数方程为：

作为优选，所述第二转子的形状由齿根圆半径r_f、蜗杆导程P₂、蜗杆齿高h₂、蜗杆齿顶宽a₂以及蜗杆齿根宽b₂所定义；

所述第二转子的引导线参数方程为：

作为优选，所述涡旋体节距P₁表示第一转子的螺距，蜗杆导程P₂表示第二转子的螺距，涡旋体节距P₁与蜗杆导程P₂满足如下关系式：

P₁＝P₂。

作为优选，所述涡旋体齿高h₁表示第一转子的啮入深度，蜗杆齿高h₂表示第二转子的啮入深度，涡旋体齿高h₁与蜗杆齿高h₂满足如下关系式：

h₁＝h₂。

作为优选，所述第一转子和第二转子的齿形分别由涡旋体齿高h₁、涡旋体齿顶宽a₁、涡旋体齿根宽b₁与蜗杆齿高h₂、蜗杆齿顶宽a₂，以及蜗杆齿根宽b₂所定义，所述第一转子和第二转子的齿面不产生干涉，满足如下关系：

作为优选，所述第一转子和第二转子的角速度ω₁、ω₂与同一时刻的旋转角度φ₁、φ₂满足如下关系式：

一种蜗杆式鼓风机，包括机壳以及设置在机壳内部的所述的蜗杆式鼓风机转子，所述的机壳上开设有吸气孔口与排气孔口，第一转子的涡旋盘第三圈外围与机壳所围成部分容积为余隙容积；当涡旋盘转过吸气孔口时，此时的吸气容积为0，并随着转子继续旋转开始增大；当转子转过360°后达到最大，此时新吸入的气体分布在第一转子的涡旋盘第三圈与第二圈之间的齿间空隙，并且随着转子继续转动，第三圈与第二圈之间的齿间空隙与余隙容积隔离，容积达到最大吸气容积，吸入气体被封闭在近圆形容积内，之后进入压缩过程；

随着接触线逐渐向中心推进，气体容积逐渐减小，压力逐渐升高，从而实现气体的压缩；当转子继续转过360°后，被压缩后的气体分布在第一转子的涡旋盘第二圈与第一圈之间的空隙中，并在下一刻与中心腔相连，开始排气过程；排气孔口开设在中心腔处的机壳上，随着转子继续旋转，压缩后的气体被排入中心腔内，并使得中心腔中与之压力相同的高压气体从排气孔口中排出，当转子继续转过360°后这一周期排气过程结束。

作为优选，所述吸气孔口开设在两个转子齿面啮合部分，与第二转子的蜗杆轴线平行，第一转子和第二转子的轴线相交且垂直，吸气孔口与第一转子的涡旋盘轴线垂直；所述排气孔口开设在第一转子的涡旋盘中心腔处，排气孔口的中心与第一转子的涡旋盘轴线重合。

作为优选，最大吸气容积按下式计算：

排气容积按下式计算：

式中，n为引导线起始圈数，P₁为涡旋体节距，ρ为第一转子的平面阿基米德螺线的长度，S为第一转子的齿面之间的凹槽面积，即为第二转子齿面面积。

相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：

第一转子采用涡旋盘，第二转子采用蜗杆，第一转子和第二转子形成相交轴蜗杆式传动结构，第一转子和第二转子绕各自轴线以相同角速度逆时针旋转并始终保持啮合，第一转子和第二转子转动时实现基元容积的减小，实现气体压缩，通过将与回转式压缩机同样具有强制输送特征的机械传动结构—涡旋盘与蜗杆相互啮合，从而实现内部密封容积周期性变化，以实现气体的压缩与输送。由于型线简单，吸排气过程不间断，且蜗杆的加工工艺已较为成熟，因此本发明的蜗杆式鼓风机转子加工难度低，同样使本发明的蜗杆式鼓风机具有加工方便、成本低、运转流畅、噪声小、气流脉动小，以及阻力损失小等优点，提高了工作寿命。

附图说明

图1本发明实施例第一转子为涡旋盘的结构示意图；

图2本发明实施例第二转子为ZA型蜗杆的结构示意图；

图3(a)本发明实施例第一转子的平面阿基米德螺线引导线示意图；

图3(b)本发明实施例第二转子的空间螺旋引导线示意图；

图4本发明实施例蜗杆式鼓风机转子结构示意图；

图5本发明实施例蜗杆式鼓风机转子剖面结构俯视示意图；

图6本发明实施例蜗杆式鼓风机的机壳结构示意图；

图7(a)本发明实施例蜗杆式鼓风机的剖面结构示意图；

图7(b)本发明实施例蜗杆式鼓风机的右视剖面结构示意图；

图8(a)本发明实施例蜗杆式鼓风机吸气过程开始原理示意图；

图8(b)本发明实施例蜗杆式鼓风机吸气过程中原理示意图；

图8(c)本发明实施例蜗杆式鼓风机吸气过程结束原理示意图；

图9(a)本发明实施例蜗杆式鼓风机压缩过程中原理示意图；

图9(b)本发明实施例蜗杆式鼓风机压缩过程结束原理示意图；

图10(a)本发明实施例蜗杆式鼓风机排气过程中原理示意图；

图10(b)本发明实施例蜗杆式鼓风机排气过程结束原理示意图；

附图中：1-机壳；2-第一转子；3-第二转子；4-排气孔口；5-吸气孔口；6-键槽。

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。

参见图1，图2，本发明实施例的一种蜗杆式鼓风机转子，是一种第一转子2为涡旋盘，第二转子3为蜗杆的相交垂直轴蜗杆式鼓风机转子。其中，第一转子2由等腰梯形产型面经图3(a)所示的平面阿基米德螺线引导而成，第二转子3由等腰梯形产型面经图3(b)所示的空间螺旋线引导而成，可视为一种具有阿基米德螺旋齿面的ZA型蜗杆。如图4与图5所示，两个转子的齿面分别啮入对方齿槽，由此实现无干涉啮合；为了保证运转的平稳与流畅，需要使得两个转子旋转的角速度ω₁、ω₂保持相等。

如图6以及图7(a)和图7(b)所示，机壳1与涡旋盘围成的密封容积由蜗杆分为2-3个密封容积，经由两个转子的啮合转动配合机壳1可实现密封容积的周期性变化，由此可以实现对气体的压缩与输送。如图8(a)至图8(c)所示，随着涡旋盘转过吸气孔口5，余隙容积内部的气体逐渐进入到涡旋盘第三圈与第二圈之间的空隙，从吸气孔口5新吸入的气体进入余隙容积，从而实现吸气过程。如图8(c)至图9(b)所示，随着接触线逐渐向中心推进，气体逐渐被推入涡旋盘内圈空隙，其容积逐渐减小，其压力逐渐升高，从而实现气体的压缩。如图9(b)至图10(b)所示，随着密封容积与中心腔相连，气体逐渐被排入中心腔中，并使得中心腔中与之压力相同的高压气体从排气孔口中排出，从而实现排气过程。

本发明实施例蜗杆式鼓风机的第一转子2由等腰梯形产型面经图3(a)所示平面阿基米德螺线引导而成，第二转子3由等腰梯形产型面经图3(b)所示空间螺旋线引导而成，可视为一种具有阿基米德螺旋齿面的ZA型蜗杆。第一转子2的可变参数为：引导线起始圈数n，涡旋体节距P₁，涡旋体齿高h₁，涡旋体齿顶宽a₁，涡旋体齿根宽b₁；第二转子3的可变参数为：齿根圆半径r_f，蜗杆导程P₂，蜗杆齿高h₂，蜗杆齿顶宽a₂，蜗杆齿根宽b₂。两个转子可由上述参数来控制齿面的形状。

第一转子2即涡旋盘的引导线参数方程为：

第二转子3即ZA型蜗杆的引导线参数方程为：

涡旋体节距P₁与蜗杆导程P₂满足如下关系：

P₁＝P₂

两个转子的角速度ω₁、ω₂与同一时刻的旋转角度φ₁、φ₂满足如下关系：

两个转子的齿高h₁、h₂，齿顶宽a₁、a₂与齿根宽b₁、b₂分别满足如下关系：

h₁＝h₂

以上求解过程中的独立变量为：

引导线独立变量：螺距P，涡旋盘引导线起始圈数n，蜗杆齿根圆半径r_f；产型面独立变量：齿高h，齿顶宽a₁、a₂，齿根宽b₁、b₂，螺距P；改变上述参数即可生成不同的转子齿面。

如图6以及图7(a)至图7(b)所示，机壳1与涡旋盘围成的密封容积由蜗杆分为2-3个密封容积，经由两个转子的啮合转动配合机壳可实现密封容积的周期性变化。通过设计合理的排气孔口4与吸气孔口5，即将吸气孔口5开设在两个转子齿面啮合部分，与蜗杆轴线平行，与涡旋盘轴线垂直；将排气孔口4开设在中心腔处，其中心与涡旋盘轴线重合。排气孔口4与吸气孔口5与密封容积周期性变化配合，可以实现对气体的压缩与输送。

如图8(a)所示，当涡旋盘转过吸气孔口5时，余隙容积为涡旋盘第三圈外围与机壳1所围成部分，此时吸气容积为0。如图8(b)所示，随着转子继续旋转，新吸入的气体将进入余隙容积，而余隙容积内部原本的低压气体将向涡旋盘内部运动，分布在涡旋盘第三圈与第二圈之间的齿间空隙，由此可以实现吸气容积从0增长到最大的变化过程。如图8(c)所示，当转子转过360°后，第三圈与第二圈之间的齿间空隙将与余隙容积隔离，此时吸入气体被封闭在近圆形容积内，而后即可进入压缩过程。同时，当上一个吸气过程结束后，将有新的基元容积产生，随即可以进入下一个吸气过程。

最大吸气容积可由下式计算：

如图9(a)所示，完成吸气过程的基元容积腔将随着转子的转动，接触线逐渐向中心推进从而移向涡旋盘内圈空隙，由此，空隙容积不断减小，被封闭在其内部的气体容积也逐渐减小，这将导致其压力逐渐升高，从而实现压缩过程。如图9(b)所示，当被压缩后的气体完全分布在涡旋盘第二圈与第一圈之间的空隙视时，压缩过程结束，下一刻基元容积将与中心腔相连从而进入排气过程。同时，当上一个压缩过程结束后，新的基元容积将被封闭在第三圈与第二圈之间的齿间空隙，随即可以进入下一个压缩过程。

排气容积可由下式计算：

如图10(a)所示，当基元容积与中心腔相连时，随着转子继续旋转，气体将被排入中心腔内，中心腔处机壳开有排气孔口，因此排入中心腔内的高压气体能够使得中心腔中与之压力相同的高压气体从排气孔口中排出，从而实现排气过程。

如图10(b)所示，当转子转过360°后，空隙内的气体被全部排入中心腔中，中心腔中也有等体积的高压气体从排气孔口排出，从而完成排气过程。同时，当上一个排气过程结束后，新的基元容积将与中心腔相连，随即可以进入下一个排气过程。

以下本发明另一实施例给出所述蜗杆式鼓风机的设计过程。

第一转子2为涡旋盘，第二转子3为蜗杆。其中第一转子2由等腰梯形产型面经平面阿基米德螺线引导而成，第二转子3由等腰梯形产型面经空间螺旋线引导而成，可视为一种具有阿基米德螺旋齿面的ZA型蜗杆。其独立参数有螺距P，涡旋盘引导线起始圈数n，蜗杆齿根圆半径r_f；齿高h，齿顶宽a₁、a₂，齿根宽b₁、b₂，螺距P。其设计过程如下：

1、由体积大小，排气流畅度优选蜗杆导程P₂、涡旋盘引导线起始圈数n、蜗杆齿根圆半径r_f、蜗杆齿高h₂、蜗杆齿顶宽a₂以及蜗杆齿根宽b₂。具体的，本实施例取P₂为26mm，n为6，r_f为60mm，h₂为12mm，a₂为6mm，b₂为20mm。

2、由上述参数求解涡旋盘参数。

由下式：

P₁＝P₂

h₁＝h₂

确定涡旋体节距P₁，涡旋体齿高h₁，涡旋体齿顶宽a₁，涡旋体齿根宽b₁。

3、由上述参数求解引导线方程。

由下式：

确定第一转子2的引导线。

由下式：

确定第二转子3的引导线。

4、利用上述产型面与引导线通过扫描生成转子结构。

本发明由于利用了机械传动结构与回转式压缩机同样具有强制输送特征的特点，将其中的蜗杆与涡旋盘相互啮合，从而实现内部密封容积周期性变化，以实现气体的压缩与输送。由于蜗杆的加工工艺已较为成熟，本发明蜗杆式鼓风机具有加工方便，成本低的优点。由于本发明蜗杆式鼓风机转子的型线简单且吸排气过程不间断，因此，具有运转流畅，噪声小，气流脉动小，阻力损失小等优点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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 (10)

1.一种蜗杆式鼓风机转子，其特征在于：包括第一转子和第二转子，第一转子为涡旋盘，第二转子为蜗杆，第一转子由等腰梯形产型面经平面阿基米德螺线引导而成，第二转子由等腰梯形产型面经空间螺旋线引导而成，两转子齿面完全相同；第一转子和第二转子绕各自轴线以相同角速度逆时针旋转并始终保持啮合，第一转子和第二转子转动时实现基元容积的减小从而实现气体压缩。

2.根据权利要求1所述的蜗杆式鼓风机转子，其特征在于：所述第一转子的形状由引导线起始圈数n、涡旋体节距P₁、涡旋体齿高h₁、涡旋体齿顶宽a₁以及涡旋体齿根宽b₁所定义；

所述第一转子的引导线参数方程为：

3.根据权利要求2所述的蜗杆式鼓风机转子，其特征在于：所述第二转子的形状由齿根圆半径r_f、蜗杆导程P₂、蜗杆齿高h₂、蜗杆齿顶宽a₂以及蜗杆齿根宽b₂所定义；

所述第二转子的引导线参数方程为：

4.根据权利要求3所述的蜗杆式鼓风机转子，其特征在于：所述涡旋体节距P₁表示第一转子的螺距，蜗杆导程P₂表示第二转子的螺距，涡旋体节距P₁与蜗杆导程P₂满足如下关系式：

P₁＝P₂。

5.根据权利要求3所述的蜗杆式鼓风机转子，其特征在于：所述涡旋体齿高h₁表示第一转子的啮入深度，蜗杆齿高h₂表示第二转子的啮入深度，涡旋体齿高h₁与蜗杆齿高h₂满足如下关系式：

h₁＝h₂。

6.根据权利要求1所述的蜗杆式鼓风机转子，其特征在于：所述第一转子和第二转子的齿形分别由涡旋体齿高h₁、涡旋体齿顶宽a₁、涡旋体齿根宽b₁与蜗杆齿高h₂、蜗杆齿顶宽a₂，以及蜗杆齿根宽b₂所定义，所述第一转子和第二转子的齿面不产生干涉，满足如下关系：

7.根据权利要求1所述的蜗杆式鼓风机转子，其特征在于：所述第一转子和第二转子的角速度ω₁、ω₂与同一时刻的旋转角度φ₁、φ₂满足如下关系式：

8.一种蜗杆式鼓风机，其特征在于：包括机壳(1)以及设置在机壳(1)内部的如权利要求1-7中任意一项所述的蜗杆式鼓风机转子，所述的机壳(1)上开设有吸气孔口(5)与排气孔口(4)，第一转子(2)的涡旋盘第三圈外围与机壳(1)所围成部分容积为余隙容积；当涡旋盘转过吸气孔口(5)时，此时的吸气容积为0，并随着转子继续旋转开始增大；当转子转过360°后达到最大，此时新吸入的气体分布在第一转子(2)的涡旋盘第三圈与第二圈之间的齿间空隙，并且随着转子继续转动，第三圈与第二圈之间的齿间空隙与余隙容积隔离，容积达到最大吸气容积，吸入气体被封闭在近圆形容积内，之后进入压缩过程；

随着接触线逐渐向中心推进，气体容积逐渐减小，压力逐渐升高，从而实现气体的压缩；当转子继续转过360°后，被压缩后的气体分布在第一转子(2)的涡旋盘第二圈与第一圈之间的空隙中，并在下一刻与中心腔相连，开始排气过程；排气孔口(4)开设在中心腔处的机壳(1)上，随着转子继续旋转，压缩后的气体被排入中心腔内，并使得中心腔中与之压力相同的高压气体从排气孔口(4)中排出，当转子继续转过360°后这一周期排气过程结束。

9.根据权利要求8所述的蜗杆式鼓风机，其特征在于：所述吸气孔口(5)开设在两个转子齿面啮合部分，与第二转子(3)的蜗杆轴线平行，第一转子(2)和第二转子(3)的轴线相交且垂直，吸气孔口(5)与第一转子(2)的涡旋盘轴线垂直；所述排气孔口(4)开设在第一转子(2)的涡旋盘中心腔处，排气孔口(4)的中心与第一转子(2)的涡旋盘轴线重合。

10.根据权利要求8所述的蜗杆式鼓风机，其特征在于，最大吸气容积按下式计算：

排气容积按下式计算：

式中，n为引导线起始圈数，P₁为涡旋体节距，ρ为第一转子的平面阿基米德螺线的长度，S为第一转子的齿面之间的凹槽面积，即为第二转子齿面面积。