CN1668851A - 在旋转型容积螺旋机中转换运动的方法和旋转螺旋机 - Google Patents

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Abstract

为了更有效的使用旋转型容积螺旋机的结构容积，提供了多组(80，70；60，50)具有内螺旋面的凹元件和具有外螺旋面的凸元件，其中，产生每组中至少一个元件的旋转运动。如果不同组(80，70；60，50)中元件的运动被同步，可以提供给动平衡机。

Description

在旋转型容积螺旋机中转换运动的方法和旋转螺旋机
技术领域
本发明涉及一种在旋转型容积螺旋机中转换运动的方法和这种旋转螺旋机。
背景技术
旋转型容积螺旋机包括共轭的螺旋元件，即包围(凹形的)螺旋元件和被包围(凸形的)螺旋元件。第一(凹形的)螺旋元件具有一个内螺旋面(凹面)，第二(凸形的)螺旋元件具有一个外螺旋面(凸面)。螺旋面是非圆柱形的且在径向限制元件。螺旋面以各自轴线为中心，各自的轴线相互平行且通常不重合，其相距距离为E(偏心距)。
这种类型的三维旋转螺旋机见于US5439359，其特征在于被固定凹元件包围的凸元件相对于凹元件作行星运动。
行星运动的第一分量是驱动凸面的轴线，使凸面轴线轨迹是绕凹面轴线的半径为E的旋转柱面，这与轨道公转运动一致。即，第二(凸)元件的轴线绕第一(凹)元件的轴线旋转，其特征在于后者的轴线是机器的主轴线。
行星运动的第二分量是驱动凸件，使凸件绕其螺旋面的轴线旋转。第二分量(圆周旋转)也可以称为回转运动。
可以提供不同的运动来代替行星运动。为此，通常采用同步耦合连接。然而，通过提供合适的螺旋面，机器也可以自同步。
所述描述类型的容积型旋转螺旋机常用于通过膨胀、排出和压缩工作物质来将工作物质(介质)、气体或液体的能量转换为发动机的机器能或者反过来用于压缩机、泵等。它们尤其用于石油、气体和地热钻井马达。
在多数情况下，螺旋面具有摆线(次摆线)形状，例如见于法国专利FR-A-997957和美国专利US3975120。V.Tiraspolskyi在由巴黎TECHNIP版出版的《钻探课程》的258-259页的“液压钻井马达”中描述了应用在马达中的运动转换。
具有这种技术背景的螺旋机运动转换方法的效率由发生在机器内的热力学过程的强度决定，并且由广义参数“角循环”表示其特性。该循环等于任何一个所选择的具有独立自由度的旋转元件(凸元件、凹元件或同步连接)转过的角度。
角循环等于具有独立自由度的部件在由凸元件和凹元件形成的工作腔横截面区域(或完全开启和闭合)变化的整个周期内转过的角度，同时，在具有内螺旋面的机器中工作腔轴向移动一个周期Pm或者具有外螺旋面的机器中工作腔体轴向移动一个周期Pf。
具有曲线形共轭元件的容积型螺旋机器已知的转换运动方法在相似的容积型机器实行时，发现有下列缺点：
—有限的技术潜力，由于组织运动过程的不完善，不能增加具有独
立自由度的驱动部件每一转的角循环数；
—类似螺旋机器有限的单位功率；
—有限的效率；
—存在作用在机器的固定机身上的反作用力。
发明内容
本发明的目的是解决扩展螺旋机中的转换运动的方法的技术和功能潜能的问题，提高螺旋机的单位功率和容量，降低热损耗，降低容积型螺旋机对支撑件的反作用力。
本发明所提供的旋转螺旋机至少包括两组共轭元件，每组包括具有内螺旋面的第一元件以及被封在第一元件内的具有外螺旋面的第二元件，机器包括一组外部共轭元件和至少一组内部共轭元件，其中每组内部共轭元件被放置在另一组共轭元件的元件腔内。共轭元件组同轴地设置在彼此的腔内。
值得注意的是，一个元件可以作为两个不同组中的一部分。这样的元件可能同时具有一个外螺旋面和一个内螺旋面，因此，同时成为一组外部共轭元件的第二元件或一组内部共轭元件的第一元件。优选地，元件在彼此的腔内啮合。
因此，容积型螺旋机中的转换运动的方法利用上面提到类型的机器，其中第一元件和第二元件的轴线是平行的，并且每组的第一元件和第二元件中至少一个可绕自身的轴线旋转。根据本发明，每组中至少一个元件产生旋转运动。在优选实施例中，每组中至少一个元件产生行星运动。
本发明使用的机器具有更有效的结构容积，同时提供更多数目的工作(排出)腔和驱动轴每转更多数目的工作循环，从而提高了效率。
根据本发明的一个优选实施例，元件的运动被同步以提供动平衡机。为此，机械耦合旋转元件的端部是可行的。
这个实施例的优点是，机器工作更稳定，且需要较少的努力来稳定整个机器结构，即机器的支撑不需要太重和过于精心制作。
如上所述，不同组中(构成第一组)的某些元件的轴线(与机器的主轴)是重合的，但是其它元件的轴线不与主轴重合且通常相互不重合。大多数情况下，每组共轭元件的第一轴线相互重合或每组共轭元件的第二轴线重合。仅在很少的情况下，该机器的实施例具有的结构中，第一组共轭元件的第一元件的轴线与另一组共轭元件的第二元件的轴线重合。参照优选实施例，不重合的轴线绕重合轴线(绕主轴线)旋转，以保持不重合的轴线相互之间以及相对于重合轴线(主轴线)的距离关系。
由于具有这种特征，可以以这种方式安排元件：整个结构的质量中心(一个元件的片段重心)放在主轴线上。如果保持非重合元件之间的距离关系，防止质量中心的迁移即移动是可能的。因此具有非重合轴线的元件的质量关系可以保持，具有重合轴线的元件的质量中心无论如何都在主轴线上。
这种方法可进一步发展为这样的方式，不同组的共轭元件的元件绕它们各自轴线的运动也被同步，也即元件的回转被同步(除了它们的公转同步外)。
有多种可能可提供这样的同步。
通常，可选择第一组旋转的两类旋转，第一组旋转包括：a)一组共轭元件的第一元件绕第一轴线的旋转，b)一组共轭元件的第二元件绕第二轴线的旋转和c)第一轴线绕第二轴线的旋转或第二轴线绕第一轴线的旋转。然后，这两类旋转的每个都可以分别与第二组旋转中的相应一个同步，第二组旋转包括：d)另一组共轭元件的第一元件绕第一轴线的旋转和e)另一组共轭元件的第二元件绕第二轴线的旋转。
以概要形式描述的这种实施例可以分成四个不同的特定优选实施例。
在根据本发明的方法的第一优选实施例中，第一组和第二组共轭元件各自包括行星移动元件，第一组和第二组的行星移动元件的轴线的旋转被同步(公转被同步)，且行星移动元件绕它们轴线的旋转也被同步(回转被同步)。
在第二优选实施例中，第一组和第二组共轭元件各自包括差速运动，第一组和第二组的第一元件的轴线的旋转被同步(公转被同步)，且第一组和第二组的第二元件的轴线的旋转也被同步(另外的公转也被同步)。
在根据本发明的方法的第三优选实施例中，第一组共轭元件包括行星运动，第二组共轭元件包括差速运动。第一组和第二组的第一元件的轴线的旋转被同步(公转被同步)，且第一组和第二组的第二元件的轴线的旋转也被同步(另外的公转也被同步)。
在根据本发明的方法的第四优选实施例中，第一组共轭元件包括行星运动，第二组共轭元件包括用于提供差速运动的同步耦合连接。第一组共轭元件的一个元件的轴线的旋转与第二组共轭元件的同步耦合连接的旋转同步。
在上面提到的所有实施例中，可以通过使第一组和第二组共轭元件的曲线包络面机械接触以形成运动副来实现各组元件之间的运动转换。
如果上面讨论的这种旋转螺旋机包括三组不同的元件。首先，可选择三种状态，包括：a)一组三元件中的第一元件(对于外包络线为凹的或对于内包络线为凸的)绕其固定中心轴线的旋转(或固定状态)，以及一组三元件中的第三元件(同步装置)绕其固定中心轴线的旋转(或固定状态)，b)一组元件中的第二元件(初始次摆线)的轴线绕同步耦合连接上的一个固定中心轴线的公转，c)借助于同步耦合连接(曲柄)或与第一元件同轴的第三(凸的)共轭螺旋元件的一组元件的第二元件的回转。其次，上面提到的三种状态可以各自分别与第二组状态中的相应一个(机械地)同步，第二组状态包括：d)另一组三共轭元件中的第一元件(对于外包络线为凸的或对于内包络线为凹的)绕其固定中心轴线的旋转(或固定状态)，以及另一组三共轭元件中的第三元件(同步装置)绕其固定中心轴线的旋转，e)另一组元件的第二元件(初始次摆线)的轴线绕同步耦合连接上的其固定中心轴线的公转，和f)另一组元件的第二元件的回转。
附图说明
从以下关于优选实施例附图的描述，该发明将更为明显：
图1显示了根据本发明的用于实现本发明的方法的旋转型容积螺旋机的横截面图。
发明内容
图1显示了根据根据本发明的旋转螺旋机的横截面图。为了提高三维螺旋容积机的效率和生产能力，本机器具有不止一组的凸元件(被封闭的元件，即具有外螺旋面的元件)和凹元件(封闭元件，即包括内螺旋面的元件)。而是，两组共轭元件一方面为80、70，另一方面为60、50相互啮合。即，一组内部共轭螺旋元件50、60放置在第二组螺旋元件的螺旋元件70的腔内。螺旋元件在彼此的腔内同轴地设置(“螺旋”)。实际上，也可以说成是三组螺旋元件，因为螺旋元件70也起第一封闭(凹)元件的作用，并且另一组共轭螺旋元件50、60的第一元件60也起被封闭(凸)元件。在此，元件60和70也组成了一组共轭元件。
外部元件80(凹元件)具有的内螺旋面(内封闭面)180的对称级nf＝3，与它共轭的元件70具有的初始次摆线形式的外螺旋面(外部被封闭面)270的对称级nm＝2，两者构成工作腔40。这些元件可认为是一组主要的内部共轭螺旋面，它们布置成第一元件80端部截面的中心O与螺旋机的中心纵向轴线Z重合，第二元件70的中心Om2与轴线Z偏离距离E2。为了控制第一和第二元件80和70相对于固定机身9的运动，80和70分别与控制装置22的输出口22′和22″机械地连接。
第一元件60(凹件)具有的呈外包络面形式的内螺旋面160的对称级nf＝3，内部的第二元件50(凸件)具有的呈初始次摆线形式的外螺旋面250的对称级nm＝2，两者构成工作腔20。可认为这些元件是一组辅助的内部共轭螺旋面，它们布置成：第一元件60端部截面的中心O与螺旋机的中心纵向轴线Z重合，第二元件50的中心Om1与轴线Z偏离距离E1(偏心距)。为了控制元件60和50相对于固定机身9的运动，60和50分别与控制装置的输出口21′和21″机械地连接。
元件70的附加内螺旋面170和元件60的附加外螺旋面260形成附加工作腔30，所以图1中工作腔的总数是九。(在元件80和60的内部，当元件70和50相对于图中所示状态移动时，提供了三个工作腔。)
通常情况下，共轭螺旋元件对的数量可以是任意的，且受到机器总体尺寸的限制。
第一双弧线元件50(内凸元件)与元件60的内三弧线轮廓线160(三弧线轮廓线形式的外包络线族)共轭。三弧线元件60的内轮廓线160对元件50的双弧线轮廓线250而言是凹元件，但对具有内轮廓线170(双弧线初始次摆线)的第二双弧线元件70而言是凸元件。元件60的外三弧线轮廓线260(内包络线族)与元件70的内轮廓线170共轭。这种现象同样发生在第二双弧线元件70上，70既是凸元件也是凹元件，其外轮廓线270(双弧初始次摆线)与最后的三弧线元件80的内三弧轮廓线180(外包络线族)啮合。
在这种特殊情况下，元件70与50机械地连接以绕分别通过中心Om2和Om1的轴线旋转，并且元件60与80机器刚性连接，这样工作腔20、30和40的数量从三增加到九。内表面和外表面250、160、260、170、270和180机械接触以形成这些工作腔20、30和40。
为使元件50和70机械地连接，元件50或70之一可以铰接在穿过元件50机身的同步耦合连接Om1-O或者Om2-O的曲柄上，其中元件50和70不能同时铰接在曲柄上。连接使得中心Om2和Om1在各种情况下都布置在一条直线Om1-O-Om2上且布置在中心纵轴线Z的不同侧，所以元件50、70形成静止和动态平衡的元件旋转系统。可以选择元件50、70的质量以提供平衡，即使元件70的质量中心(一个元件片段的重心)处在穿过中心Om2的轴线上，元件50的质量中心处在中心Om1上，其中元件50和70放置一起时其质量中心处在中心O上。换句话说，元件50和70的耦合运动以这样一种方式实现，即元件50和70放在一起时其质量中心总是保持在中心O处且不迁移。
为使这些组中的元件产生相互连接运动以及同时使不同组中的元件产生同步运动，引入控制装置21和22。控制装置21，22的输出口21′、21″和22′、22″分别与元件50、60和70、80机械地连接。根据本发明，控制装置可以产生具有两个自由度的运动，其中一个是独立的。即，控制装置可以使组内一个元件产生绕另一个固定元件的行星运动。做为一种选择，控制装置可以产生具有三个自由度的运动，即，这些装置可以产生一个元件绕其固定轴线的差速连接的旋转运动，另一个元件的轴线绕第一元件的固定轴线行星公转运动或者第二元件绕其自身轴线回转的任何旋转分量，以及同步耦合连接Om1-O绕第一元件固定轴线的旋转。换句话说，具有三个自由度的组元件的运动中两个自由度可以选作独立自由度。
在本发明中，转换机器元件的运动具有四个不同的变化：
a)产生进行行星运动(包括圆周渐进运动)的元件的轴线公转以及产生另一组中与那个元件相似的元件的轴线的第一同步公转；
b)产生一组中两个螺旋元件的差速运动以及产生另一组中两个相似螺旋元件同步差速运动；
c)产生在一组中进行行星运动的螺旋元件的轴线的公转以及产生在另一组中进行差速运动的螺旋元件的轴线的同步公转；
d)一方面产生内部组元件50、60的外元件60和内部组的同步耦合连接Om1-O的差速运动或者产生外部组元件70、80的外元件和外部组的同步耦合连接Om2-O的差速运动，另一方面产生另一组中的一对螺旋元件的同步差速运动。
关于变化a)，元件50和70的两个行星运动的同步以下列方式发生：在同步和同相中起作用的控制装置21、22使元件50、70以相等的角速度ωs和相等的转动相位回转，并且元件60、80保持固定。由于自同步，在表面250和270在表面160和180上滚动和翻转过程中，同步中元件50和70进行行星运动。作为已平衡的系统，元件50和70的质量中心绕半径为E1和E2的圆移动，其中公转角速度ωre＝-2ωs。不可移动表面260的至高点在可移动表面170上滑动。
关于变化b)，两组(对)元件，一组是50和60，另一组是70和80的两个差速运动以下列方式发生：在同步和同相中起作用的控制装置21、22使元件50、70以相等角速度和旋转相位进行最终角速度为ωs(或者提供速度为零的回转，即圆周渐进运动)的回转，其中元件60、80绕固定轴线Z以速度ωs/2旋转。由于自同步，在表面250和270在表面170和180上滚动和翻转的过程中，元件50和70同步进行行星(或者圆周渐进)运动。作为已平衡的系统，元件50和70的质量中心(Om1，Om2)绕半径为E1和E2的圆移动，其中公转角速度ωre＝-ωs/2。可移动元件60的表面260的至高点在可移动表面170上滑动。
关于变化c)，应注意到，在一组50和60中进行行星运动的螺旋元件50的轴线公转的产生以及在另一组70、80中进行差速运动的螺旋元件70的轴线同步公转的产生以类似于变化a)和变化b)所描述的方式发生，但不使元件60和70接触。
现在转向变化d)，元件60和同步耦合连接Om1-O的差速运动与元件70、80的差速运动的同步以下列方式发生：控制装置21、22例如使两个元件60和80以及同步耦合连接Om1-O产生同步和同相的反旋转，即旋转方向相反，但角速度相同，-ωro＝ωre，并且因为元件50的表面250在元件60的表面160上翻转，元件50形成角速度ωs＝-2ωre的回转。在这种情况下，可移动表面260的至高点在可移动表面170上滑动。进一步，元件50将回转同步和同相地传输给元件70是必要的，其中元件70在可移动元件80的表面180上翻转。作为已平衡的系统，与中心Om1和Om2重合的元件50和70的质量中心绕半径为E1和E2的圆移动，其中公转的角速度为ωre，在整个公转过程中这些中心都处在一条直线Om1-O-Om2上。
这些组元件之间的运动转换可以通过使凸、凹共轭元件曲线包络面进行机械接触来实现，以此形成运动副。
凹凸共轭元件对的角循环Ti由方程式给出：
Ti＝2π/[nm，f|(ωf/ωi)-(ωm/ωi)|]
其中：ωf、ωm-凹元件和凸元件绕自身中心的自身角速度；ωi-独立元件的角速度，例如进行公转运动的元件；并且该元件的转角限定Ti的值；nm，f-对称级；nm-具有外包络线的内转迹线模式；以及nf-具有内包络线的外旋轮线模式。
关于所述变化：
a)元件70(轮廓线270)随固定元件80的行星运动的内转迹线模式(为外包络线180)由下列参数确定：ωf(80)＝0；ωf(70)＝1；nm(70)＝2；nf(80)＝3；ωm(70)＝ωs(70)＝ωre(70)(1-(nf/nm))＝1(1-3/2)＝-0.5；Ti(re，70)＝2π/2(0+0.5)＝2π；元件70(轮廓线170)随固定元件60的行星运动的外旋轮线模式(为内包络线260)由下列参数确定：ωm(60)＝0；ωre(70)＝1；nm(60)＝3；nf(70)＝2；ωf(70)＝ωs(70)＝ωre(70)(1-(nm/nf))＝1(1-3/2)＝-0.5；Ti(re，70)＝2π/2(-0.5-0)＝2π。
关于所述变化：
b)差速运动：元件70(轮廓线270)的行星运动以及元件80的旋转运动由下列参数确定：ωf(ro，80)＝-1；ωre(70)＝1；nm(70)＝2；nf(80)＝3；ωm(70)＝ωs(70)＝(ωf-ωre)(nf/nm)+ωre＝(-1-1)(3/2)+1＝-2；Ti(re，70)＝2π/2(-1+2)＝2π；元件70(轮廓线170)的行星运动以及元件60的旋转运动由下列参数确定：ωm(ro，60)＝-1；ωre(70)＝1；nm(60)＝3；nf(70)＝2；ωf(s，70)＝ωs(70)＝(ωm-ωre)(nm/nf)+ωre＝(-1-1)(3/2)+1＝-2；Ti(re，70)＝2π/2(-2+1)＝π；从上面看很显然，在元件差速运动情况下角循环减小两倍，相应地方法的效率增大两倍。
在每组腔40、30以及20内工作介质沿轴线Z的轴向移动的方向由中心Om1和Om2的公转方向确定，因此为工作介质移动选择相同的方向，控制装置21、22使中心Om1和Om2的公转方向相同。并且为在腔40、30以及20内的工作介质移动选择相反的方向，控制装置21、22使中心Om1和Om2的公转方向相反。
值得注意的是工作介质在元件组的工作腔内沿Z轴线传输。如果轴线移动方向改变，必须改变这些组中进行行星运动的元件的中心Om1和Om2的公转方向。

Claims (13)

1、一种在容积螺旋机中转换运动的方法，所述机器具有至少两组共轭元件(80，70；60，50)，每组包括具有以第一轴线(穿过中心O)为中心的内螺旋面(180，160)的第一元件(80，60)和具有以第二轴线(穿过中心Om2，Om1)为中心的外螺旋面(270，250)的第二元件(70，50)，其中，共轭元件内部组(50，60)同轴地设置在共轭元件外部组(80，70)的第二元件的至少一个腔内；
其中，第一和第二轴线(穿过中心O；Om1，Om2)相平行，每组所述第一和第二元件中至少一个可绕其轴线旋转；
所述方法包括：
产生每组中至少一个元件的旋转运动。
2、如权利要求1所述方法，其特征在于，所述元件的运动以可以提供给动平衡机的方式被同步。
3、如权利要求1或者2所述方法，其特征在于，每组包括以与机器主轴线重合的轴线为中心的元件，每组各自的第二元件以不与主轴线重合的轴线为中心；
非重合轴线绕主轴线旋转，以保持非重合轴线相互之间以及相对于主轴线的距离关系。
4、如权利要求1到3任一所述方法，其特征在于，每组共轭元件的所述第一轴线重合，第二轴线不重合；或者每组共轭元件的所述第二轴线重合，第一轴线不重合；
非重合轴线(穿过中心Om1，Om2)绕重合轴线(穿过中心O)旋转，以保持非重合轴线(穿过中心Om1，Om2)相互之间以及相对于重合轴线(穿过中心O)的距离关系。
5、如权利要求2到4任一所述方法，其特征在于，不同组共轭元件的元件绕它们各自轴线的运动被同步。
6、如前面权利要求1到5任何一个所述方法，其特征在于，第一组旋转包括：
a)一组共轭元件的第一元件绕第一轴线的旋转；
b)一组共轭元件的第二元件绕第二轴线的旋转；
c)第一轴线绕第二轴线的旋转或第二轴线绕第一轴线的旋转，至少两个旋转分别与第二组旋转中的相应一个机械地同步，第二组旋转包括：
d)另一组共轭元件的第一元件绕第一轴线的旋转；
e)另一组共轭元件的第二元件绕第二轴线的旋转。
7、如权利要求6所述方法，其特征在于，第一和第二组共轭元件分别包括行星移动元件，第一和第二组的行星移动元件的轴线的旋转被同步，并且行星移动元件绕它们各自轴线的旋转被同步。
8、如权利要求6所述方法，其特征在于，第一和第二组共轭元件分别包括差速运动，第一和第二组的第一元件的轴线的旋转被同步，并且第一和第二组的第二元件的轴线的旋转被同步。
9、如权利要求6所述方法，其特征在于，第一组共轭元件包括行星运动，而第二组共轭元件包括差速运动，第一和第二组的第一元件的轴线的旋转被同步，并且第一和第二组的第二元件的轴线的旋转被同步。
10、如权利要求6所述方法，其特征在于，第一组共轭元件包括行星运动，第二组共轭元件包括提供差速运动的同步耦合连接(Om1-O；Om2-O)，并且第一组共轭元件的元件的轴线的旋转与第二组共轭元件的同步耦合连接的旋转被同步。
11、如权利要求1到10任一所述方法，其特征在于，第一元件(80，70，60)的曲线内表面(180，170，160)与第二元件(70，60，50)的曲线外表面(270，260，250)机械接触，从而实现所述运动转换。
12、一种旋转型容积螺旋机，包括至少两组共轭元件(80，70；60，50)，每组包括具有内螺旋面(180，160)的第一元件(80，60)和封闭在其内的具有外螺旋面(270，250)的第二元件(70，50)，所述机器包括一组外部共轭元件(80，70)和至少一组内部共轭元件(60，50)，其中，每个内部组共轭元件(60，50)被设置在另一组共轭元件(80，70)的元件(70)的腔内。
13、如权利要求12所述螺旋机，其特征在于，不同组共轭元件的旋转元件互相机械耦合，以提供所述元件的同步运动。
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