CN1877125A - 椭圆旋转压缩流体输送机械 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种椭圆旋转压缩流体输送机械，包括电机连接轴、转子、轴轮组件、机盖、机壳、机座、填料箱、托架等部件，其特点是：机壳内腔为二次修正椭圆形结构，二次修正椭圆形的机壳内设有轴心偏离机壳中心的转子，电动机连接轴与转子相连，转子外圆柱面与机壳内椭圆柱面相切，并与二次修正椭圆柱面之间形成一个月牙形空腔，转子上装有两个交叉串动的轴轮组件，轴轮组件两端的轴轮外圆柱面与椭圆内柱面相切，当转子转动时，轴轮组件随之转动，同时整个轴轮组件沿着转子轴心槽方向来回串动，轴轮通过串动板的串动而紧贴在二次修正椭圆柱面上滚动，使流体在机壳内的月牙形空间分为不同的压力室。本产品可以用于输送气体、清洁液体或浆料物料，整机体积小、效率高、振动小、运行平稳，容易制造，易于推广。

Description

椭圆旋转压缩流体输送机械

技术领域

本发明涉及一种流体输送机械，特别是采用椭圆旋转压缩原理输送流体的压缩机或流体泵。

背景技术

常见的流体输送机械品种繁多，但主要分为速度型和容积型两大类。这两大类又可分为若干种形式，以下先简介这几种形式流体输送机械的特点和存在的不足：

流体输送机械：

(一)速度型流体输送机械，速度型流体输送机械按其结构分为叶轮式和喷射式。

1、叶轮式包括各类离心泵、离心压缩机、轴流风机、轴流泵等，它们主要利用高速旋转的叶轮将机械能传递给流体介质，以提高流体的压能，这种形式的流体输送机械的优点是结构紧凑，效率高，流量大而均匀，可用电动机直接驱动。缺点是不能自吸(对泵而言)，流量变化时，压力和效率也随之改变。

2、喷射式流体输送机械是利用一种流体介质的动能来带动输送另一种流体介质的设备，其优点是结构简单，加工容易，适合化工，环保，食品工业使用。缺点是主流体介质所需的压力较高，而且当流量变化时，真空度及所带动流体的流量也随之变化，而且应用范围有限制。

(二)、容积型流体输送机械。它又分为往复式和旋转式。

1、往复式流体输送机械，这种形式的机械是通过活塞在气缸内作往复运动使工作容积发生周期性变化，从而实现流体的增压和输送。它的优点是排出压力较高，压力不随流量的改变而改变，小流量时效率较高。缺点是要有一套往复运动机械，整机的体积和重量都比较大，不能与高速电动机直接连接，调节工况也较复杂。与往复式同一形式的还有隔膜泵等，隔膜泵是借助隔膜的运动使工作容积发生周期性变化，从而实现流体的增压和输送，此类机械的优点是密封性能好，制造成本不高，但存在的不足之处是流量小，运动隔膜容易损坏，目前尚未得到广泛应用。

2、旋转式流体输送机械，其工作原理是通过转子在气缸内高速旋转使工作容积发生周期性变化，从而实现流体的增压和输送，具体结构有螺杆压缩机、螺杆泵、滑片式压缩机、滑片泵、涡旋压缩机、涡旋泵、滚动活塞式压缩机以及齿轮泵等，这些流体压缩机和泵的优点是结构简单，重量轻，可直接与高速电动机直接相连，运行安全可靠。缺点是螺杆式、涡旋式、齿轮式的压缩机和泵的转子表面是比较复杂的曲面，加工制造和检测都比较困难；滑片式、滚动活塞式压缩机和泵的摩擦功耗都比较大，流体内泄漏也比较多。

本发明人针对现有技术的情况，对容积型旋转式流体输送机械进行了深入的研究，1997年发明了一种容积型旋转式流体输送机械，中国专利，<专利号>97111377.7<审定公告号>1093604<发明名称>套转式流体输送机械，该套转式流体输送机械的结构特点是在机壳内安装有一个圆筒分布许多小孔的透篮，内部设有一个偏心转子，转子与透篮之间有叶片，透篮内表面和转子外表面之间有一个月牙形工作空间，当电机带动转子转动时，通过叶片带动透篮旋转，而使月牙形工作容积周期性发生变化，使流体通过透篮小孔不断吸入、压缩和排出而完成流体输送过程，本发明的流体输送机械结构简单、体积小、效率高、振动小、运行平稳、易操作、适宜输送和压缩各种干净流体介质。在此基础上，本发明人于2004年6月10日又申请了椭圆压缩流体输送机械的实用新型专利，专利号：CN200420064924.X，公开(公告)号：CN2725577，专利权人：李瑞云，椭圆压缩流体输送机械，它包括电机连接轴、机壳、机座和流体入口、流体出口等部件，其特征在于：机壳内腔为椭圆形结构，在椭圆形的机壳内设有一个轴心偏离机壳中心的转子，电动机连接轴与转子相连，转子外圆柱面与机壳内椭圆柱面相切，并与椭圆柱面之间形成一个月牙形空腔，转子装有一对可以伸缩串动的轴轮组件并与椭圆柱面紧贴，本产品整机体积小、效率高、振动小、运行平稳，容易制造，易于推广。

在工作实践中，本发明人对上述两种容积型旋转式流体输送机械比较，特别是对自己申请的两项专利进行了分析，觉得上述的流体输送机械还可以改进，主要是发现“椭圆压缩流体输送机械”，200420064924.X的专利中的轴轮组件中间需要安装弹簧，由于弹簧工作一段时间以后容易发生疲劳而使轴轮组件不再与机壳内椭圆柱面相切导致漏气漏液，而使其工作性能还不够好，不能适应多种流体的输送需求。

发明内容

本发明产品的目的是提供一种轴轮组件中间不需要安装弹簧，同时具有节能降耗、效率更高、工作性能更好的区别于现有的圆形旋转压缩结构的椭圆旋转压缩流体输送机械。

那么怎样使得轴轮组件中间不需要安装弹簧，而又使轴轮组件始终与机壳内椭圆柱面相切，本发明人发现主要在于现有机壳内腔的椭圆形结构设计不合理，每对轴轮沿着机壳内椭圆柱面滚动时其圆心距不相等。因而，本发明人设计了新的计算公式，经过两次修正找出椭圆形机壳内腔，采用高精度数码机床加工，从而实现了本发明的目的。

本发明具体的技术方案如下：

本椭圆旋转压缩流体输送机械，包括电机连接轴、转子、轴轮组件、机盖、机壳、机座、填料箱、托架等部件，机壳内腔为椭圆形结构，电动机连接轴与转子相连，转子外圆柱面与机壳内椭圆柱面相切，并与椭圆柱面之间形成一个月牙形空腔，转子上装有轴轮组件，轴轮在运转过程中始终与椭圆内柱面紧贴，其特征在于：椭圆形机壳内腔为二次修正的椭圆形结构(采用高精度数码机床加工)，在二次修正的椭圆形的机壳内设有轴心偏离机壳中心的转子，转子上的轴轮组件为串动的无弹簧的轴轮组件，轴轮组件两端的轴轮外圆柱面与二次修正椭圆机壳内腔内柱面相切，该轴轮组件有串动板，串动板上安装有轴轮，轴轮内设有轴承、销轴和轴轮盖，椭圆旋转压缩过程中每个角度位置所处的每对轴轮之间的圆心距始终保持相等(计算公式和设计理论依据见以下实施方式的后面)。当转子转动时，轴轮组件随之转动，同时整个轴轮组件沿着转子轴心槽方向来回串动，轴轮通过串动板的串动而紧贴在二次修正椭圆柱面上滚动，使流体在机壳内的月牙形空间分为不同的压力室。

上述所说的椭圆旋转压缩流体输送机械，一般用于输送干净气体和液体。为了使本椭圆旋转压缩流体输送机械能输送泥浆、砂浆、食品浆等物料，可将串动的轴轮组件改装成能串动的刮板，通过旋转刮板将浆料带出。

本发明产品的工作原理：

椭圆旋转压缩流体输送机械的工作原理是：本发明产品与现有的圆形旋转压缩结构不同，它采用偏心转子在二次修正椭圆内转动与轴轮滚动和串动板串动相结合的旋转式结构。当电动机提供动力后，连接轴带动转子进行偏心高速旋转，转子内安装的轴轮组件随之旋转，使轴轮紧压在机壳内二次修正椭圆柱面上滚动(或刮板在机壳内二次修正椭圆柱面上滑动)。开始时，由于二次修正椭圆机壳内轴轮组件和转子构成的封闭容积和流体入口相通，流体便进入该封闭容积，当旋转时，由于二次修正椭圆内表面和转子外圆表面之间为月牙形空间，该封闭容积逐渐变大，形成一低压空腔，将流体从入口吸入，进入吸气(液)过程；当旋转到一定位置时，该封闭容积与入口脱离，随着转子进一步旋转，进入压缩过程，该封闭容积逐渐减小；当旋转到该封闭容积与流体出口相通，进入排气(液)过程，逐将流体挤向出口管排出。这样，随着电机不断驱动转子旋转，各个封闭容积依次不断地通过入口管吸入，经过压缩又不断从出口管排出，实现对流体的增压和输送任务。

本发明与现有技术相比，其突出的实质性特点和显著的进步是：

(1)本椭圆旋转压缩流体输送机械采用偏心转子在二次修正椭圆内转动与轴轮滚动和串动板串动相结合的旋转式结构，其构思是利用椭圆的性质，用经典理论推导出椭圆旋转压缩公式，将椭圆长短轴大小等数据代入该公式就可以计算出偏心转子的圆心位置，按照轴轮运动规律设计和加工二次修正的椭圆机壳内腔，具有独创性和先进性。

(2)不需要往复运动机构，结构简单、紧凑、体积小、重量轻、易损件少。

(3)加压过程平稳、流量大而均匀，自吸效果好，容易操作。

(4)本椭圆旋转压缩机启动后就可以持续压缩，不需要如同往复式压缩机那样需要安装活门，气流稳定，运行平稳。

(5)效率高、能耗低，比往复式压缩机节能达15％以上。

(6)由于转子表面为圆形，没有复杂的曲面，加工制造方便，精度也容易保证，密封间隙小，泄漏降压的情况不严重，有利于减少无用功，推广起来容易。

(7)用刮板时，椭圆旋转压缩流体输送机械还可以输送浆料流体，如泥浆、砂浆、食品浆料等。

(8)本发明产品整机体积小、效率高、振动小、噪音低，容易制造，易于推广。

附图说明

图1是普通椭圆示意图；

图2是修正后椭圆示意图；

图3是本发明设计的二次修正椭圆示意图；

图4是椭圆旋转压缩流体输送机械的结构示意图；

图5是图4的A-A剖视图；

图6是椭圆旋转压缩流体输送机械输送浆料物料的示意图；

图7是椭圆旋转压缩流体输送机械输送气体压缩过程示功图。

具体实施方式

从图1了解到，图中标示出了普通椭圆长半轴、短半轴和离心率之间的关系，利用椭圆旋转压缩公式可以计算出偏心转子的圆心位置，但通过偏心转子圆心被椭圆所截取的线段A₁A₁′、A₂A₂′、A₃A₃′、A₄A₄′、A₅A₅′、A₆A₆′……皆不相等。这种普通椭圆的运动轨迹不适合本椭圆旋转压缩流体输送机械的转动。

从图2中了解到，修正的椭圆与图1的普通椭圆已经发生变化，它经过变换计算，求出椭圆上各点的修正值，使通过偏心转子圆心被修正椭圆，(图中以虚线表示)所截取线段A₂₂A₂₂′、A₃₃A₃₃′、A₄₄A₄₄′、A₅₅A₅₅′、A₆₆A₆₆′……均相等，实际上，修正椭圆就是轴轮沿着机壳内椭圆柱面滚动时其圆心的运动轨迹，但是对于流体输送，轴轮还不能够正常运转。

从图3中了解到，二次修正椭圆是将修正后椭圆按照轴轮围绕椭圆中心转动的运动规律，将修正椭圆加以轴轮半径绝对值由椭圆中心向外拓展进行二次修正的椭圆，实际上就是机壳内椭圆柱面。

如图4和图5所示，本发明的椭圆旋转压缩流体输送机械包括电机连接轴17、机盖1、轴轮6、机壳8、转子9、填料箱13、托架15、机座21等部件，该机器的机壳8内设有一个轴心偏离机壳中心(即椭圆中心)的转子9，机壳内腔为二次修正的椭圆形结构，电动机连接轴17通过平键12和螺母10与转子9相连，转子装有可以串动的轴轮组件，轴轮组件上两端的轴轮与二次修正的椭圆柱面紧贴，该轴轮组件有串动板2或串动板7，串动板2或串动板7上安装有轴轮6，轴轮6内设有轴承4、销轴5和轴轮盖3。机壳8上安装机盖1后便构成密封内腔。(这种椭圆旋转压缩流体输送机械可以输送气体)

在电动机连接轴17与转子9相连处，为防止松动，设有外舌止动垫圈11；电动机连接轴17与机壳8和托架15之间为防止漏气(液)，设有填实箱13，填上填料14，再用压盖16压紧；电动机连接轴17安装在滚珠轴承20上，并用透盖18固定，透盖18内设有毡圈19防止轴承漏油，整机安装在机座21上面。

如图6所示，为了使本椭圆旋转压缩流体输送机械能输送泥浆、砂浆、食品浆等物料，可将两对能串动的轴轮改装成两块能串动的刮板22和刮板23，通过旋转刮板将浆料带出，其余结构与图4和图5相同。

如图7所示，以椭圆旋转压缩流体输送机械气体压缩机为例，简述本发明产品的作功过程；

设压缩过程的气体为理想气体，见图7所示的理论工作过程P-V示功图中，Ps为吸气口压力，P₁为气体入口前降低的压力，P_i为在轴轮与椭圆柱面处压力，P_d为排气口压力，V₀为余隙容积，V₁为吸气封闭容积，V_m为转子带动轴轮旋转到脱离吸气口时最大封闭容积。图中表示了椭圆旋转气体压缩机余隙容积V₀，吸气过程的开始时间延迟，吸气、排气过程的结束时间都提前，内压力比小于外压力比的情况，

椭圆旋转气体压缩机中的V₀为余隙容积，这部分剩余高压气体在下一个工作过程开始时总要先膨胀，压力沿4′-1′下降到P₁，此时封闭容积由V₀增到V₁，在与流体入口相通的瞬时，压力由P₁(1′点)恢复到吸气压力Ps(1点)，因而使封闭容积的开始吸气点延迟。吸气过程中压力Ps，容积由V₁(1点)——V₂(2点)，当封闭容积和流体入口相脱离的瞬时，气体将在吸气终了之后再行膨胀，直到吸气容积增加到V_m时(2′点)，才从降低了的压力开始压缩，在图4中压力变化曲线由1-2-2′-2-3，曲线段2-2′同时代表了气体的膨胀和压缩过程。压缩过程中容积由V₂(2点)减小到V₃(3点)，当封闭容积和流体出口相通的瞬时(3点)，由于内压力比小于外压力比，即Pi＜P_d，排气管中的气体迅速倒流入封闭容积，而使压力突然由Pi上升到P_d(3′点)，随后，封闭容积继续缩小，容积由V₃(3′点)逐渐减小(4点)而将气体排出。由于排气封闭容积的存在，排气结束后留下的气体再度被压缩，压力从P_d(4点)上升到4′点，接着是余隙容积V₀剩余高压气体膨胀，进行下一个工作循环。

以椭圆短轴为直径的圆形压缩过程示功图为例，在图7中4′-1′-1-2″-2-2″-3″-3-4-4′所示。

由此可见，本发明产品的输出功率比圆形压缩结构的流体输送机械的输出功率大。

理论依据：

本发明人在上述的椭圆旋转压缩流体输送机械设计中突破了三大难关，解决了椭圆旋转压缩技术的关键性问题：

为了说明本发明椭圆旋转压缩流体输送机械的工作原理，以下我们给出下面的数学分析：

(1)首先设定偏心转子圆心的位置O′，并要求B₁B₂＝A₁A₁′＝A₂A₂′＝A₃A₃′＝A₄A₄′＝A₅A₅′＝A₆A₆′＝……

看图1椭圆B₁A₂B₂A₂′中

长半轴a＝A₂O＝A₂”O

短半轴b＝B₁O＝B₂O

半焦距 $c=F_{1}0=F_{2}0=\sqrt{a^2-b^2}$

离心率 $e=\frac{c}{a}=\frac{\sqrt{a^2-b^2}}{a}$

短长轴之比 $\frac{b}{a}=\sqrt{1-e^2}$

在a、b、c、e

四个参数中，只要知道其中任意两个参数，就可以求出另外两个参数，因而可以求出椭圆方程 $\frac{x^2}{b^2}+\frac{y^2}{a^2}=1$

现设偏心转子圆心O′到椭圆中心O为偏心距O′O＝b′

a′＝b-c即a′等于短半轴减半焦距 $r=\frac{e}{b/a-e}$ 即r等于离心率除以(短长轴之比减离心率)

如何确定偏心转子圆心位置o′，必须找出a′、b′、r之间的关系公式，由经典理论计算得出b′是a′、r的二元函数

$b^{\&prime;}=\frac{r(r+k_1)}{\sqrt{r^2+{(r+k_2)}^2}}{a}^{\&prime;}$

此公式称为椭圆旋转压缩公式

其中a′——自变量₁

    r——自变量₂

    k₁——已知常数₁

    k₂——已知常数₂

选择a′、r，代入公式计算出b′值，就可以确定偏心转子圆心位置O′。

选择不同的a′、r，构成一系列产品，都可以根据该公式进行设计计算。

(2)真正意义上的椭圆(即平面上与两定点的距离之和为常数的点的轨迹)并不理想，实际上在图1中B₁B₂＝A₁A₁′≠A₂A₂′≠A₃A₃′≠A₄A₄′≠A₅A₅′≠A₆A₆′≠……只有通过变换计算求出其相对修正值，才能使它们相等。

比如  当r＝2   a′＝40时

A₁A₁′＝240

A₂A₂′＝242.934767

A₃A₃′＝244.0680863

A₄A₄′＝243.7516011

A₅A₅′＝242.6114336

A₆A₆′＝240.93529004

如何才能使它们接近相等呢？此时必须经过变换计算采用高精确度电子计算机计算出其相对修正值。

上例中分别计算出A₂A₂′、A₃A₃′、A₄A₄′、A₅A₅′、A₆A₆′、……的修正值为A₂₂A₂₂′、A₃₃A₃₃′、A₄₄A₄₄′、A₅₅A₅₅′、A₆₆A₆₆′……列出以下表1有关数据所示(注：h为纵截距)。

表1 r＝2 a′＝40 过圆心O′各角度位置椭圆内截取各线段长度及其修正值

由表1可见，修正后的

A₂₂A₂₂′＝A₃₃A₃₃′＝A₄₄A₄₄′＝A₅₅A₅₅′＝A₆₆A₆₆′＝……＝A₁A₁′＝240

这就确保椭圆旋转压缩过程中每个角度位置所处的每对轴轮之间的圆心距始终保持相等。实际上取消了本发明人CN200420064924.X，《椭圆压缩流体输送机械》的实用新型专利说明书中所安装的套管和弹簧的伸缩机构，从而简化结构，降低成本。

(3)修正后的椭圆B₁A₂₂B₂A₂₂′(见图2中的虚线)，尽管达到B₁B₂＝A₁A₁′＝A₂₂A₂₂′＝A₃₃A₃₃′＝A₄₄A₄₄′＝A₅₅A₅₅′＝A₆₆A₆₆′＝……但其并非椭圆旋转压缩流体输送机械机壳内椭圆柱面。

见图2中A₁A₁′位置的轴轮无法安装运转。

如何解决椭圆旋转压缩过程中轴轮外圆与机壳内椭圆柱面始终保持紧贴密封是椭圆旋转压缩技术的核心问题。纵观轴轮在旋转压缩过程中的运动规律，实际上此椭圆乃是轴轮沿机壳内椭圆柱面滚动时其圆心的轨迹。

由此可见，必须将修正后椭圆加以轴轮半径绝对值由椭圆中心向外拓展进行二次修正椭圆。这个二次修正的椭圆才是椭圆旋转压缩流体输送机械机壳内椭圆柱面。如图3中椭圆B₁₀A₂₀B₂₀A₂₀′所示(见图3中的虚线)。

为保证椭圆旋转压缩流体输送机械机壳内椭圆柱面精确度和光洁度，以减少摩擦功耗和内泄漏，关键在于机壳内椭圆柱面是由专利发明人提供的数据构成二次修正椭圆采用高精度数码机床加工制造而成。

Claims (3)

1、一种椭圆旋转压缩流体输送机械，包括电机连接轴、转子、轴轮组件、机盖、机壳、机座、填料箱、托架等部件，机壳内腔为椭圆形结构，电动机连接轴与转子相连，转子外圆柱面与机壳内椭圆柱面相切，并与椭圆柱面之间形成一个月牙形空腔，转子上装有轴轮组件，轴轮在运转过程与椭圆内柱面紧贴，其特征在于：椭圆形机壳内腔为二次修正的椭圆形结构，在二次修正的椭圆形的机壳内设有轴心偏离机壳中心的转子，转子上的轴轮组件为串动的无弹簧的轴轮组件，轴轮组件两端的轴轮外圆柱面与二次修正椭圆机壳内腔内柱面相切，该轴轮组件有串动板，串动板上安装有轴轮，轴轮内设有轴承、销轴和轴轮盖，椭圆旋转压缩过程中每个角度位置所处的每对轴轮之间的圆心距始终保持相等。

2、根据权利要求1所述的椭圆旋转压缩流体输送机械，其特征在于：串动滚动的轴轮可以改装成能串动的刮板，通过旋转刮板将浆料带出。

3、如权利要求1所述的椭圆旋转压缩流体输送机械，其特征在于它在输送气体、液体或浆料流体方面的应用。

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