CN116221115A - 一种氦气双螺杆压缩机的转子型线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及能源动力领域,具体涉及一种氦气双螺杆压缩机的转子型线,由如下步骤设计而成,包括:在端面型线设计的三个关联坐标系中,将端面型线设计为N_He型线,N_He型线由若干段连续可导的线段构成;其中型线各区段基本形状为圆弧、直线、圆弧包络、二次曲线;根据N_He型线中各区段曲线的特征参数,确定具体型线几何坐标。本发明将端面型线设计为N_He型线,N_He型线由若干段连续可导的线段构成,其通过更多段位的型线几何构型设计,啮合更加精密,可减少运转啮合间隙,从而减少了工质内部泄漏损失等,实现氦气压缩性能的提升,满足大型氦低温工程的实际需求。
Description
技术领域
本发明涉及能源动力领域,具体而言,涉及一种氦气双螺杆压缩机的转子型线。
背景技术
双螺杆压缩机是一种容积式压缩机,由互相啮合的一对转子构成,利用螺旋形阴阳转子不同齿间封闭容积的变化实现气体的压缩。为防止运动干涉和机械磨损,转子之间以及转子与机体之间存在各种机械间隙,成为高低压气体轴向和齿间泄漏的重要通道。齿形又称型线,是双螺杆压缩机最核心的技术,几乎决定了压缩机的容积效率和运转可靠性,从最初的对称型圆弧线发展到现在的非对称复杂几何曲线型,对于空气、一般制冷剂等领域都有比较典型的先进型线。
具体地,螺杆式压缩机和螺杆泵是一种综合利用了往复式(活塞式)压缩机和离心式压缩机优点的动力设备,具有零部件少、免维护周期长等优点,在工作压力4MPa以下的场合成为主要的压缩设备形式,其核心部件在于双螺杆转子。现有双螺旋转子是一对互相啮合的阴转子和阳转子,把螺旋转子齿面与转子轴线垂直面的截交线称为转子端面型线,也称齿形。转子型线是双螺杆压缩机技术最核心和最根本的技术。
阴、阳螺旋转子的端面型线是由多段不同曲线组成的,转子端面型线作螺旋运动形成了转子螺旋齿面。阴、阳转子平行放入机械设备的机体内,随着两螺旋转子的旋转,每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环,从而完成工作过程。阴、阳转子的运转与斜齿轮的啮合具有相同原理,即端面型线(齿形)必须满足齿廓啮合的基本定律。螺旋转子端面型线对机器的运转效率、传输性能及加工成本有决定性作用。
转子型线至今已有三代演变发展,第一代是对称性圆弧型线,以点、直线组成,型线的设计、制造和测量方便,缺点是泄漏三角形的面积较大,效率低。第二代是对称性型线,型线以点、直线、摆线等组成,以瑞典SRM-A型线为代表,由于减小了泄漏三角形的面积而提高了效率。最新的第三代非对称转子型线,采用圆弧、椭圆、抛物线等曲线组合,气体工质由线密封变成为带密封,有利于减少磨损和降低噪音,代表性型线为德国凯撒(KAESER)的SIGMA型线、艾珍(Aerzen)的ECOSCREW型线、瑞典的SRM-D(英国Howden公司和日本Mycom公司的螺杆压缩机采用的就是这种型线)等,在空压机和制冷机压缩机上具有广泛的应用。
典型的第三代高效齿型型线,阳转子同阴转子的齿数比有5:6,也有4:6的,具体如下:
德国 Kaeser公司 SIGMA型线 阳:阴=5:6
德国 Aerzen公司 ECOSCREW型线 阳:阴=4:6
瑞典 S.R.M 公司 SRM-D型线 阳:阴=4:6
在超导、高能物理大科学装置、大型氢气液化等大型低温工程领域,由于氦气具有最低的沸点(-269℃),是最主要的工质,而喷油式氦气双螺杆压缩机是大型低温工程的主要压缩机形式。当前氦气喷油螺杆压缩机使用的螺杆转子一般为普通空气压缩机或者制冷压缩机的螺杆转子,例如凯撒、艾珍、SRM等。
综上,空气压缩机或者制冷压缩机的转子型线,一般在阴阳转子设计上,型线一般由4-6段连续曲线构成,啮合间隙较大,齿形由于曲线段数少而具有更多的转折过渡,在大喷油量时的搅拌油功损耗大造成效率降低。由于氦气压缩过程中温升高(是因为单原子气体的绝热指数高,为1.66)、易泄漏的特殊性,直接用于氦气压缩时,容积效率下降约10%-20%、功耗高、噪声大。
压缩小分子量的氦气时,同样温度和压差下的泄漏率是空气的几倍,直接使用空压机等原有的型线,容积效率和输气量都大幅下降。另外,由于氦气压缩热大,需要喷入更多的油进行冷却,一般为氦气质量流量的30-100倍,由于油的粘性带来更大的搅拌功等损失,压缩的热力学效率也下降。
发明内容
本发明实施例提供了一种氦气双螺杆压缩机的转子型线,以至少解决现有方法容易导致工质泄漏造成效率下降的技术问题。
根据本发明的一实施例,提供了一种氦气双螺杆压缩机的转子型线,由如下步骤设计而成,包括:
在端面型线设计的三个关联坐标系中,将端面型线设计为N_He型线,N_He型线由若干段连续可导的线段构成;
其中型线各区段基本形状为圆弧、直线、圆弧包络、二次曲线;
根据N_He型线中各区段曲线的特征参数,确定具体型线几何坐标。
进一步地,所述根据N_He型线中各区段曲线的特征参数,确定具体型线几何坐标包括:
将一组具有氦气高效压缩特性的转子端面点位设计为具体的转子型线。
进一步地,N_He型线由11段连续可导的曲线构成。
进一步地,N_He型线采用阳阴转子数4:5非对称流线型设计。
进一步地,阴阳转子啮合间隙为0.035-0.075mm。
进一步地,阳转子公称直径为125-410mm。
进一步地,所述螺杆压缩机的适用工况为进气压力30kPa-500kPa、单级压比1-17,单台排气量100m3/h-16000m3/h;所述螺杆压缩机转子型线的适用工质为氦气、氢气、硫化氢、空气、商用制冷机的制冷剂。
进一步地,所述螺杆压缩机包括:喷油式双螺杆压缩机、单机双级喷油式螺杆压缩机。
进一步地,在端面型线设计的三个关联坐标系中,根据齿条啮合定律基本原理将端面型线设计为N_He型线。
进一步地,在三个关联坐标系中,O坐标系绝对静止,O1坐标系为与阳转子相对静止、逆时针旋转,O2坐标系为与阴转子相对静止、顺时针旋转,O3坐标系为与齿条相对静止、上下移动,阴、阳转子中心与O1、O2坐标系原点重合。
本发明实施例中的氦气双螺杆压缩机的转子型线,在端面型线设计的三个关联坐标系中,将端面型线设计为N_He型线,N_He型线由若干段连续可导的线段构成,其通过更多段位的型线几何构型设计和减少运转间隙即减少了工质内部泄漏损失等,实现氦气压缩性能的提升,满足大型氦低温工程的实际需求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本申请的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为本发明氦气双螺杆压缩机的转子型线的设计过程流程图;
图2为本发明中综合坐标系图;
图3为本发明0转角情况下,在综合坐标系中的表达图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,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,所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是,本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
根据本发明的实施例,提供了一种氦气双螺杆压缩机的转子型线,参见图1,由如下步骤设计而成,包括:
S101:在端面型线设计的三个关联坐标系中,将端面型线设计为N_He型线,N_He型线由若干段连续可导的线段构成;
其中型线各区段基本形状为圆弧、直线、圆弧包络、二次曲线;
S102:根据N_He型线中各区段曲线的特征参数,确定具体型线几何坐标。
本发明实施例中的氦气双螺杆压缩机的转子型线,在端面型线设计的三个关联坐标系中,将端面型线设计为N_He型线,N_He型线由若干段连续可导的线段构成,其通过更多段位的型线几何构型设计和减少运转间隙即减少了工质内部泄漏损失等,实现氦气压缩性能的提升,满足大型氦低温工程的实际需求。
其中,根据N_He型线中各区段曲线的特征参数,确定具体型线几何坐标包括:
将一组具有氦气高效压缩特性的转子端面点位设计为具体的转子型线。
其中,N_He型线由11段连续可导的曲线构成。
其中,N_He型线采用阳阴转子数4:5非对称流线型设计。
其中,阴阳转子啮合间隙为0.035-0.075mm。
其中,阳转子公称直径为125-410mm。
其中,螺杆压缩机的适用工质为氦气、氢气、硫化氢、空气、制冷剂,适用工况为进气压力30kPa-500kPa、单级压比1-17,单台排气量100m3/h-16000m3/h。
其中,螺杆压缩机包括:喷油式双螺杆压缩机、单机双级喷油式螺杆压缩机。
其中,在端面型线设计的三个关联坐标系中,根据齿条啮合定律基本原理将端面型线设计为N_He型线。
其中,在三个关联坐标系中,O坐标系绝对静止,O1坐标系为与阳转子相对静止、逆时针旋转,O2坐标系为与阴转子相对静止、顺时针旋转,O3坐标系为与齿条相对静止、上下移动,阴、阳转子中心与O1、O2坐标系原点重合。
下面以具体实施例,对本发明的氦气双螺杆压缩机的转子型线进行详细说明:
为解决氦气压缩过程中氦气工质容易泄漏的技术难题,本发明提供一种适用于氦气喷油式双螺杆压缩机领域的转子端面型线,以提高压缩机的容积效率和热力学效率。本发明通过型线几何构型来减少转子泄漏三角形、提高面积利用系数、利于附着油膜的流线型面等,来实现对高、低压之间氦气的密封,提高转子的输气量和容积效率。流线型型线设计也可降低冷却油的搅拌功损失,进一步提高压缩过程的热力学效率。
本发明的技术特点以对比应用最为广泛的德国凯撒单级压缩高压比的氦气螺杆压缩机,非对称阳阴转子齿数比4:5,采用大转子低转速的基本理念,单级压比可高达16,具有高的绝热效率(一般为85%)和容积效率(一般为90%以上)。与之相比,本发明基于适用于氦气压缩的喷油量和转子速度,采用非对称阳阴转子数4:5的方案,型线的几何构型以流畅的流线型为主,降低了油功损失,更利于形成油膜;加之又进一步减小了转子啮合间隙和泄漏三角形等,提高了氦气压缩的热力学效率和容积效率。
本发明设计了一种依据氦气压缩特性的流线型新型线,其通过更多段位(11段)的型线几何构型设计和减少运转间隙即减少了工质内部泄漏损失等,实现氦气压缩性能的提升,满足大型氦低温工程的实际需求。由于氦气是一种敏感的压缩工质,本发明也可推广应用于空压机和普通制冷剂、工艺气体压缩机上,也可进一步提高效率。
本发明的技术方案主要包括:
本发明为N_He型线,由11段连续可导的曲线构成,采用阳阴转子数4:5非对称流线型设计;
在三个关联坐标系中,依据啮合定律进行型线几何设计,转子基本型线由11段连续可导曲线构成;
根据各段特征参数,确定具体型线几何坐标,即:一组具有氦气高效压缩特性的转子端面点位,为具体的转子型线;
阴阳转子啮合间隙为0.035-0.075mm;
主要适用工质为氦气,也可推广应用于氢气、硫化氢等工艺气体和空气、制冷剂等;
适用工况:进气压力30kPa-500kPa(绝压)、单级压比1-17,单台排气量100m3/h-16000m3/h;
也可用于单机双级喷油式螺杆压缩机的转子。
本发明的技术方案详细阐述如下:
本发明基于齿条啮合定律基本原理进行型线设计,计算坐标系,图2所示为综合坐标系。
附图2中O坐标系(y-O-x)绝对静止,O1坐标系(y1-O1-x1)为与阳转子相对静止、逆时针旋转,O2坐标系(y2-O2-x2)为与阴转子相对静止、顺时针旋转,O3坐标系(y3-O3-x3)与齿条相对静止、上下移动。
阴、阳转子中心与O1、O2坐标系原点重合,O3坐标系原点在O坐标系y轴上,在x轴负向上,O1与O相距RP1,在x轴正向上,O2与O相距RP2,RP1与RP2之和为A。
附图3为本发明型线0转角情况下,在综合坐标系中的表达,对应图中从A点至K点,11段曲线具体特征如表1所示。
表1N_He型线的11段曲线具体特征
序号 | 代号 | 名称 | 序号 | 代号 | 名称 |
1 | A-B | R3圆弧 | 7 | G-S | R2圆弧包络 |
2 | B-C | s直线 | 8 | S-H | R5圆弧包络 |
3 | C-D | 二次曲线 | 9 | H-I | t直线 |
4 | D-E | L1直线 | 10 | I-J | R4圆弧 |
5 | E-F | R圆弧 | 11 | J-K | L2直线 |
6 | F-G | R1圆弧包络 |
如表1所示,N_He型线由11段连续可导的曲线构成,并由A0、Z1、Z2、R、R0、R1、R2、R3、R4、L1、ψ、α1、α2、L2、θ1、s、t共17个特征参数唯一确定。
其中A0为阴阳转子中心距;
Z1、Z2分别为阴阳转子齿数;
R、R1、R2、R3、R4为不同段位的圆弧半径;
R0为起点A点与y轴距离;
L1、L2、s、t为直线长度;
ψ、α1、α2,θ1为不同段位的曲线角度。
本发明的计算特征还包括:
基本方案为阳阴转子齿数比为4:5的非对称型线;
阴阳转子啮合间隙为0.035-0.075mm;
主要适用工质为氦气,也可推广应用于氢气、硫化氢等工艺气体和空气、制冷剂等;
适用工况:进气压力30kPa-500kPa(绝压)、单级压比1-17,单台排气量100m3/h-16000m3/h;
也可用于单机双级喷油式螺杆压缩机的转子;
本发明型线采用精密磨削加工保障坐标精度。
本发明以如表2所示的实施例,通过确定17个参数和各段曲线的间隙值,给出型线具体几何坐标。阳阴转子齿数比为4:5,啮合中心距为160mm,转子接触线为阴阳转子节圆相切点所形成的螺旋线。
表2实施例阴阳转子的型线坐标
本发明的关键点和欲保护点至少在于:
1.本发明N_He型线由11段连续可导的曲线构成,采用阳阴转子比4:5非对称流线型型线;
2.阴阳转子啮合间隙为0.035-0.075mm;
3.主要适用工质为氦气,也可推广应用于氢气、硫化氢等工艺气体和空气、制冷剂等;
4.适用工况:进气压力30kPa-500kPa(绝压)、单级压比1-17,单台排气量200m3/h-16000m3/h;
5.阳转子公称直径:125-410mm;
6.也可用于单机双级喷油式螺杆压缩机的转子;
7.本发明型线采用精密磨削加工保障坐标精度;
8.实施例型线具体坐标(阳转子600组点、阴转子575组点)。
本发明的发明创新点至少在于:
1.阳阴转子数4:5非对称设计;
2.型线几何由11段构成曲线,相对于传统4-6段曲线的构成,使得型线更加精细,阴阳转子啮合更加精密,使得型线的可设计性更高,最终实现转子螺旋曲面的动力特性最佳化;
3.转子啮合间隙数值不是固定数值,根据工质实际压缩过程,沿轴向采用非均匀间隙设计,减少实际运转间隙,减少了工质内部泄漏损失;
4.型线的几何特点为流线型,从流体动力学上降低了油搅拌功损失。
本发明经过试验样机检测,容积效率较传统型线提高10%以上,绝热效率在典型工况下高达85%左右。
本发明的变更设计包括:
1.截取或调整部分型线坐标点;
2.对型线进行等比例的放大或缩小。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述,不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中,对各个实施例的描述都各有侧重,某个实施例中没有详述的部分,可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的技术内容,可通过其它的方式实现。其中,以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的,例如单元的划分,可以为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口,单元或模块的间接耦合或通信连接,可以是电性或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外,在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、只读存储器(ROM,Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM,RandomAccessMemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种氦气双螺杆压缩机的转子型线,其特征在于,由如下步骤设计而成,包括:
在端面型线设计的三个关联坐标系中,将端面型线设计为N_He型线,N_He型线由若干段连续可导的线段构成;
其中型线各区段基本形状为圆弧、直线、圆弧包络、二次曲线;
根据N_He型线中各区段曲线的特征参数,确定具体型线几何坐标。
2.根据权利要求1所述的氦气双螺杆压缩机的转子型线,其特征在于,所述根据N_He型线中各区段曲线的特征参数,确定具体型线几何坐标包括:
将一组具有氦气高效压缩特性的转子端面点位设计为具体的转子型线。
3.根据权利要求1所述的氦气双螺杆压缩机的转子型线,其特征在于,N_He型线由11段连续可导的曲线构成。
4.根据权利要求3所述的氦气双螺杆压缩机的转子型线,其特征在于,N_He型线采用阳阴转子数4:5非对称流线型设计。
5.根据权利要求4所述的氦气双螺杆压缩机的转子型线,其特征在于,阴阳转子啮合间隙为0.035-0.075mm。
6.根据权利要求5所述的氦气双螺杆压缩机的转子型线,其特征在于,阳转子公称直径为125-410mm。
7.根据权利要求1所述的氦气双螺杆压缩机的转子型线,其特征在于,所述螺杆压缩机的适用工况为进气压力30kPa-500kPa、单级压比1-17,单台排气量100m3/h-16000m3/h;所述螺杆压缩机转子型线的适用工质为氦气、氢气、硫化氢、空气、商用制冷机的制冷剂。
8.根据权利要求1所述的氦气双螺杆压缩机的转子型线,其特征在于,所述螺杆压缩机包括:喷油式双螺杆压缩机、单机双级喷油式螺杆压缩机。
9.根据权利要求1所述的氦气双螺杆压缩机的转子型线,其特征在于,在端面型线设计的三个关联坐标系中,根据齿条啮合定律基本原理将端面型线设计为N_He型线。
10.根据权利要求9所述的氦气双螺杆压缩机的转子型线,其特征在于,在三个关联坐标系中,O坐标系绝对静止,O1坐标系为与阳转子相对静止、逆时针旋转,O2坐标系为与阴转子相对静止、顺时针旋转,O3坐标系为与齿条相对静止、上下移动,阴、阳转子中心与O1、O2坐标系原点重合。
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CN118030520A (zh) * | 2024-03-04 | 2024-05-14 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种单级高压比流线型氦气螺杆转子型线 |
Citations (2)
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CN105134592A (zh) * | 2015-09-08 | 2015-12-09 | 无锡压缩机股份有限公司 | 一种双螺杆端面型线的设计方法 |
CN113294334A (zh) * | 2021-06-07 | 2021-08-24 | 无锡锡压压缩机有限公司 | 一种氦气螺杆压缩机转子 |
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2022
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