CN105649981A - 一种双齿压缩机转子型线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双齿压缩机的转子型线,其中,所述双齿压缩机的转子包括阴转子和阳转子,所述阴、阳转子均关于自身的转子轴中心O1、O2中心对称,所述阴、阳转子的转子型线包括直线、圆弧包络线、点啮合摆线、圆弧和销齿圆弧。本发明涉及的双齿压缩机的转子型线能够明显提高双齿压缩机的气密性,实现良好的进排气,此外,还能提升压缩机工作效率,降低能量的浪费,进一步提升压缩面积的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及转子型线,特别地涉及一种双齿压缩机的转子型线。
背景技术
双齿压缩机是一种新型无油回转压缩机,它在低压气力输送上具有良好的应用前景,特别是在罗茨鼓风机的节能替代上具有很大的发展潜力。双齿压缩机由一对相互啮合的直双齿转子,一对同步齿轮,一个8字形气缸和两端的墙板、齿轮箱等组成。转子在旋转过程中相互啮合,形成周期性变化的工作容积,从而实现气体的吸入、压缩和排出。通过吸、排气口的合理设计,双齿压缩机具有完全的内压缩过程,而且无需吸气阀和排气阀等易损部件,在保留了罗茨鼓风机结构简单、加工容易、运行方便等优点的前提下,又解决了其噪音大、耗能高、排气温度高以及单级压比低的问题。由于转子结构完全对称,理论上可以实现惯性力平衡,加工制造不再成为问题,实现对罗茨鼓风机的节能替代。
早在上世纪90年代,国外就开始了双齿压缩机的研究,经过不断发展,国外已有一些厂家成功将双齿压缩机推向市场,其中较为著名的有德国Rietschle公司生产的ZEPHYR系列产品,瑞典AtlasCopco公司生产的ZR/ZT系列产品,以及美国BUSCH公司生产的Mink-MI系列产品。目前国内对于双齿压缩机的研究刚刚起步,生产尚属空白。作为双齿压缩机核心部件的双齿转子,其型线的设计好坏直接影响到压缩机的性能,如气密性、效率、面积利用系数、加工成本和使用寿命等。转子型线研究既是双齿压缩机热动力性能研究的基础,也是优化型线设计、提高整机性能的关键。目前,双齿压缩机普遍存在气密性不高、效率低下、面积利用较差等问题。
发明内容
本发明提供一种双齿压缩机的转子型线,以解决现有技术中存在的双齿压缩机气密性不高、效率低下、面积利用较差等问题。
为了解决上述问题,本发明提供一种双齿压缩机的转子型线,其中,所述双齿压缩机的转子包括阴转子和阳转子,所述阴、阳转子均关于自身的转子轴中心O1、O2中心对称,所述阴、阳转子的转子型线包括直线、圆弧包络线、点啮合摆线、圆弧和销齿圆弧。
作为优选,所述阴转子的所述转子型线包括直线A1B1段、圆弧包络线B1C1、、点啮合摆线C1D1段、齿根圆弧D1E1段、销齿圆弧E1F1段、圆弧包络线F1G1段以及对滚圆弧G1H1段。
作为优选,所述阳转子的所述转子型线包括圆弧包络线A2B2段、直线B2C2、、点啮合摆线C2D2段、齿根圆弧D2E2段、销齿圆弧E2F2段、直线F2G2段以及对滚圆弧G2H2段。
作为优选,所述直线A1B1段与以O1为圆心,r1为半径的对滚圆弧前切于A1点,后切圆弧包络线于B1点,与阳转子上的圆弧包络线A2B2共轭;所述圆弧包络线B1C1段前切直线于B1点,C1点在齿顶圆上,并且与阳转子上的直线B2C2共轭,其中,C1为尖点,C1点在齿顶圆上,与转子中心O1的距离为R;所述点啮合摆线C1D1段与阳转子上的D2点共轭,并与齿根圆弧相切于D1点;所述齿根圆弧D1E1段的半径为r,与摆线C1D1前切于点D1点,后切销齿圆弧于E1点,与阳转子上的齿顶圆弧D2E2共轭;所述销齿圆弧E1F1段前切齿根圆弧于E1点,后切圆弧包络线F1G1于F1点,其圆心在节圆上;所述圆弧包络线F1G1段与销齿圆弧相切与F1点,与以O1为圆心,r1为半径的对滚圆弧G1H1相切于G1点,并且与阳转子上的直线F2G2共轭;所述对滚圆弧G1H1段以O1为圆心,r1为半径,分别与圆弧包络线和直线相切于G1点H1点,与阳转子上的G2H2共轭。
作为优选,所述圆弧包络线A2B2段与阴转子上直线A1B1共轭,与以O2为圆心,r2为半径的圆弧相切于A2点,与直线B2C2相切于B2点;所述直线B2C2段分别与圆弧包络线和点啮合摆线相切于B2点和C2点,并与阴转子上的圆弧包络线B1C1共轭;所述点啮合摆线C2D2段与阴转子上的C1点共轭,并与直线B2C2相切于C2点,其中,尖点D2点在齿顶圆上,与转子中心O2的距离为R;所述齿顶圆弧D2E2段以O2为圆心,以R为半径,与销齿圆弧E2F2相切于E2点,并且与阴转子上的齿根圆弧D1E1共轭;所述销齿圆弧E2F2段前切齿顶圆弧于E2点,后切直线F2G2于F2点,其圆心在节圆上;所述直线F2G2段前切销齿圆弧于F2点,后切圆弧G2H2于G2点,与阴转子上的圆弧包络线F1G1共轭;所述对滚圆弧G2H2段以O2为圆心,r2为半径,分别与直线和圆弧包络线相切于G2点和H2点,与阴转子上的圆弧G1H1共轭。
作为优选,所述阴、阳转子的A1、B1、D1、E1、F1、G1、H1、A2、B2、C2、E2、F2、G2、H2点均为公切点,所述阴、阳转子的C1、D2点均为尖点,与点啮合摆线啮合时形成的工作腔最小容积能达到零。
作为优选,A1B1是与以r1为半径的圆弧相切的直线,方程为:x1=r1cos2ф+tsin2ф,y1=r1sin2ф-tcos2ф,0≤t≤rtsinф,上式中的ф是指A1B1、B2C2不在同一直线时,A1O1与转子连心线O1O2所成的夹角;A2B2是A1B1的共轭曲线,根据平面啮合条件,A2B2的方程为:x2=-r1cos2(t+ф)-t0sin2(t+ф)+2rtcost,y2=-r1sin2(t+ф)-t0cos2(t+ф)-2rtsint,t0=rtsin(t+2ф),其中,-2ф≤t≤-ф;B2C2是与齿根圆相切的直线,方程为:x2=r,y2=t,0≤t≤rtsinф;B1C1是B2C2的共轭型线,将B2C2的方程代入啮合条件方程得到B1C1的方程为:x1=-rcos2t-rtsintsin2t+2rtcost,y1=-rsin2t-rtsintcos2t-2rtsint,其中,-ф≤t≤0;C1D1是伸长外摆线,与D2相啮合,方程为:x1=-Rcos2t+2rtcost,y1=Rsin2t-2rtsint,其中,0≤t≤γ;C2D2也是伸长外摆线,与C1相啮合,方程与C1D1的方程相同,但参数变化范围不同,C2D2方程如下:x2=-Rcos2t+2rtcost,y2=Rsin2t+2rtsint,其中,-γ≤t≤0;D2E2是半径为R的齿顶圆弧,方程为:x2=Rcost,y2=Rsint,其中,-а≤t≤0;D1E1是半径为r的齿根圆弧,方程为:x1=rcost,y1=rsint,其中,-β≤t≤0;E1F1和E2F2是以r01为半径、圆心在节圆上的销齿圆弧,在型线的构成中起过渡作用,方程为:x1=(r+r01)cosβ-r01cos(β-t),y1=(r+r01)sinβ+r01sin(β-t),其中,F2G2是与圆弧相切的直线,方程为:x2=r2cosθ+tsinθ,y2=r2sinθ+tcosθ,其中,F1G1是与直线F2G2啮合的共轭包络线,方程为:x1=(r-r02)cos(θ+δ2)+r02sin(θ+t),y1=(r-r02)sin(θ+δ2)+r02cos(θ+t),其中,0≤t≤π/2+δ2;G1H1是以圆心为O1、半径为r1的对滚圆弧,其型线方程为:x1=r1cost,y1=r1sint,其中,π-(θ+δ2)≤t≤2ф;G2H2是以圆心为O2、半径为r2的对滚圆弧,其型线方程为:x2=r2cost,y2=r2sint,其中,π-θ≤t≤2ф。
作为优选,其中,上述方程中,R=ξrt,r=2rt-R,r2=ζrt,r1=2rt-r2,其中,а,rt,ξ,ζ,r01,r02已知。
本发明在单齿压缩机转子型线基础上改进的双齿压缩机的转子型线,能够明显提高双齿压缩机的气密性,实现良好的进排气,此外,进一步提升使用效率,降低能量的浪费,还能提升压缩面积的利用率,降低制造成本。这种转子型线能够广泛应用于鼓风及气力运输等领域,可作为罗茨鼓风机的节能替代产品。
附图说明
图1是本发明涉及的一种双齿压缩机的转子型线的示意图;
图2是本发明涉及的一种双齿压缩机的工作过程图。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的意图,下面结合附图对本发明的内容做进一步说明。
本实施例涉及一种双齿压缩机的转子型线,如图1所示,其中,双齿压缩机的转子包括阴转子和阳转子,阴、阳转子均关于自身的转子轴中心O1、O2中心对称,阴、阳转子均无偏心质量。在本实施例中,将采用转子结构的一半结合附图进行说明,阴、阳转子的转子型线包括直线、圆弧包络线、点啮合摆线、圆弧和销齿圆弧,具体地:
其中,阴转子的型线包括直线A1B1段、圆弧包络线B1C1、、点啮合摆线C1D1段、齿根圆弧D1E1段、销齿圆弧E1F1段、圆弧包络线F1G1段以及对滚圆弧G1H1段。
具体地,直线A1B1段与以O1为圆心,r1为半径的对滚圆弧前切于A1点,后切圆弧包络线于B1点,与阳转子上的圆弧包络线A2B2共轭;圆弧包络线B1C1段前切直线于B1点,C1点在齿顶圆上,并且与阳转子上的直线B2C2共轭,其中,C1为尖点,C1点在齿顶圆上,与转子中心O1的距离为R;点啮合摆线C1D1段与阳转子上的D2点共轭,并与齿根圆弧相切于D1点;齿根圆弧D1E1段的半径为r,与摆线C1D1前切于点D1点,后切销齿圆弧于E1点,与阳转子上的齿顶圆弧D2E2共轭;销齿圆弧E1F1段前切齿根圆弧于E1点,后切圆弧包络线F1G1于F1点,其圆心在节圆上;圆弧包络线F1G1段与销齿圆弧相切与F1点,与以O1为圆心,r1为半径的对滚圆弧G1H1相切于G1点,并且与阳转子上的直线F2G2共轭;对滚圆弧G1H1段以O1为圆心,r1为半径,分别与圆弧包络线和直线相切于G1点H1点,与阳转子上的G2H2共轭。
其中,阳转子的型线包括圆弧包络线A2B2段、直线B2C2、、点啮合摆线C2D2段、齿根圆弧D2E2段、销齿圆弧E2F2段、直线F2G2段以及对滚圆弧G2H2段。具体地,圆弧包络线A2B2段与阴转子上直线A1B1共轭,与以O2为圆心,r2为半径的圆弧相切于A2点,与直线B2C2相切于B2点;直线B2C2段分别与圆弧包络线和点啮合摆线相切于B2点和C2点,并与阴转子上的圆弧包络线B1C1共轭;点啮合摆线C2D2段与阴转子上的C1点共轭,并与直线B2C2相切于C2点,其中,尖点D2点在齿顶圆上,与转子中心O2的距离为R;齿顶圆弧D2E2段以O2为圆心,以R为半径,与销齿圆弧E2F2相切于E2点,并且与阴转子上的齿根圆弧D1E1共轭;销齿圆弧E2F2段前切齿顶圆弧于E2点,后切直线F2G2于F2点,其圆心在节圆上;直线F2G2段前切销齿圆弧于F2点,后切圆弧G2H2于G2点,与阴转子上的圆弧包络线F1G1共轭;对滚圆弧G2H2段以O2为圆心,r2为半径,分别与直线和圆弧包络线相切于G2点和H2点,与阴转子上的圆弧G1H1共轭。这样,这种转子型线的转子齿形在结构上完全对称,运转时无偏心力矩产生,在转子旋转啮合的过程中,可以使工作容积发生变化,有完整的内压缩过程。
此外,所述阴、阳转子的A1、B1、D1、E1、F1、G1、H1、A2、B2、C2、E2、F2、G2、H2点均为公切点,型线过度圆滑,便于加工。阴、阳转子的C1、D2点均为尖点,与点啮合摆线啮合时形成的工作腔最小容积能达到零,能够避免形成排气封闭容积,D2点不需要和C1D1啮合,可以脱开,但不能干涉。这种转子型线设计出的压缩机气密性明显提升高、效率较高、压缩面积利用率较高。
其中,阴、阳转子的转子型线不同,但都相对自身中心对称,将上述型线绕自身轴心旋转180°即可得到完整的双齿转子型线,在压缩机运转时无偏心力矩产生,省去挖孔或配平衡重的方法解决转子旋转时的偏心问题。
更为具体地,A1B1是与以r1为半径的圆弧相切的直线,方程为:x1=r1cos2ф+tsin2ф,y1=r1sin2ф-tcos2ф,0≤t≤rtsinф,上式中的ф是指A1B1、B2C2不在同一直线时,A1O1与转子连心线O1O2所成的夹角;A2B2是A1B1的共轭曲线,根据平面啮合条件,A2B2的方程为:x2=-r1cos2(t+ф)-t0sin2(t+ф)+2rtcost,y2=-r1sin2(t+ф)-t0cos2(t+ф)-2rtsint,t0=rtsin(t+2ф),其中,-2ф≤t≤-ф;B2C2是与齿根圆相切的直线,方程为:x2=r,y2=t,0≤t≤rtsinф;B1C1是B2C2的共轭型线,将B2C2的方程代入啮合条件方程得到B1C1的方程为:x1=-rcos2t-rtsintsin2t+2rtcost,y1=-rsin2t-rtsintcos2t-2rtsint,其中,-ф≤t≤0;C1D1是伸长外摆线,与D2相啮合,方程为:x1=-Rcos2t+2rtcost,y1=Rsin2t-2rtsint,其中,0≤t≤γ;C2D2也是伸长外摆线,与C1相啮合,方程与C1D1的方程相同,但参数变化范围不同,C2D2方程如下:x2=-Rcos2t+2rtcost,y2=Rsin2t+2rtsint,其中,-γ≤t≤0;D2E2是半径为R的齿顶圆弧,方程为:x2=Rcost,y2=Rsint,其中,-а≤t≤0;D1E1是半径为r的齿根圆弧,方程为:x1=rcost,y1=rsint,其中,-β≤t≤0;E1F1和E2F2是以r01为半径、圆心在节圆上的销齿圆弧,在型线的构成中起过渡作用,方程为:x1=(r+r01)cosβ-r01cos(β-t),y1=(r+r01)sinβ+r01sin(β-t),其中,F2G2是与圆弧相切的直线,方程为:x2=r2cosθ+tsinθ,y2=r2sinθ+tcosθ,其中,F1G1是与直线F2G2啮合的共轭包络线,方程为:x1=(r-r02)cos(θ+δ2)+r02sin(θ+t),y1=(r-r02)sin(θ+δ2)+r02cos(θ+t),其中,0≤t≤π/2+δ2;G1H1是以圆心为O1、半径为r1的对滚圆弧,其型线方程为:x1=r1cost,y1=r1sint,其中,π-(θ+δ2)≤t≤2ф;G2H2是以圆心为O2、半径为r2的对滚圆弧,其型线方程为:x2=r2cost,y2=r2sint,其中,π-θ≤t≤2ф。
上述方程中,其中,R=ξrt,r=2rt-R,r2=ζrt,r1=2rt-r2, 其中,а,rt,ξ,ζ,r01,r02已知。
将阴阳转子的上述型线分别绕O1和O2旋转180°即可得到完整的双齿转子型线。
下面结合附图2说明压缩机中双齿转子的工作过程,采用该型线的双齿压缩机能够实现在轴向端面吸、排气,其中主动转子沿逆时针旋转,从动转子沿顺时针旋转。其中,以工作腔A为例说明工作过程,图a表示工作腔A刚刚形成并与吸气口连通开始吸气,如图b所示,随转角的增大,工作腔A容积不断变大,并且不断向工作腔中吸气,直至转子转至图c所示位置,此时工作腔A离开吸气口并且被分割为两部分,此时,吸气过程结束;转子继续旋转至图d位置,工作腔A容积开始减小,压缩过程开始;图e表示工作腔A的两部分逐渐开始连通,并进一步压缩气体;如图f所示,此时主动转子旋转到排气口位置,压缩过程结束,排气过程即将开始;转子继续旋转,如图g所示,工作腔A容积不断减小,通过与之相通的排气口将气体排出;当转子旋转至图h所示位置时,主动转子已经完全挡住排气口,工作腔A与之脱离,排气过程结束,此时A工作腔内的容积也减小至零;转子继续旋转,新的工作腔开始形成,由此开始了往复循环过程。
本发明的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行的描述,并非对本发明构思和范围进行限定,在不脱离本发明设计思想的前提下,本领域中工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进,均应落入本发明的保护范围,本发明请求保护的技术内容,已经全部记载在权利要求书中。
Claims (8)
1.一种双齿压缩机的转子型线,其中,所述双齿压缩机的转子包括阴转子和阳转子,所述阴、阳转子均关于自身的转子轴中心O1、O2中心对称,所述阴、阳转子的转子型线包括直线、圆弧包络线、点啮合摆线、圆弧和销齿圆弧。
2.根据权利要求1所述的双齿压缩机的转子型线,其特征在于,所述阴转子的所述转子型线包括直线A1B1段、圆弧包络线B1C1、、点啮合摆线C1D1段、齿根圆弧D1E1段、销齿圆弧E1F1段、圆弧包络线F1G1段以及对滚圆弧G1H1段。
3.根据权利要求2所述的双齿压缩机的转子型线,其特征在于,所述阳转子的所述转子型线包括圆弧包络线A2B2段、直线B2C2、、点啮合摆线C2D2段、齿根圆弧D2E2段、销齿圆弧E2F2段、直线F2G2段以及对滚圆弧G2H2段。
4.根据权利要求3所述的双齿压缩机的转子型线,其特征在于,所述直线A1B1段与以O1为圆心,r1为半径的对滚圆弧前切于A1点,后切圆弧包络线于B1点,与阳转子上的圆弧包络线A2B2共轭;所述圆弧包络线B1C1段前切直线于B1点,C1点在齿顶圆上,并且与阳转子上的直线B2C2共轭,其中,C1为尖点,C1点在齿顶圆上,与转子中心O1的距离为R;所述点啮合摆线C1D1段与阳转子上的D2点共轭,并与齿根圆弧相切于D1点;所述齿根圆弧D1E1段的半径为r,与摆线C1D1前切于点D1点,后切销齿圆弧于E1点,与阳转子上的齿顶圆弧D2E2共轭;所述销齿圆弧E1F1段前切齿根圆弧于E1点,后切圆弧包络线F1G1于F1点,其圆心在节圆上;所述圆弧包络线F1G1段与销齿圆弧相切与F1点,与以O1为圆心,r1为半径的对滚圆弧G1H1相切于G1点,并且与阳转子上的直线F2G2共轭;所述对滚圆弧G1H1段以O1为圆心,r1为半径,分别与圆弧包络线和直线相切于G1点H1点,与阳转子上的G2H2共轭。
5.根据权利要求4所述的双齿压缩机的转子型线,其特征在于,所述圆弧包络线A2B2段与阴转子上直线A1B1共轭,与以O2为圆心,r2为半径的圆弧相切于A2点,与直线B2C2相切于B2点;所述直线B2C2段分别与圆弧包络线和点啮合摆线相切于B2点和C2点,并与阴转子上的圆弧包络线B1C1共轭;所述点啮合摆线C2D2段与阴转子上的C1点共轭,并与直线B2C2相切于C2点,其中,尖点D2点在齿顶圆上,与转子中心O2的距离为R;所述齿顶圆弧D2E2段以O2为圆心,以R为半径,与销齿圆弧E2F2相切于E2点,并且与阴转子上的齿根圆弧D1E1共轭;所述销齿圆弧E2F2段前切齿顶圆弧于E2点,后切直线F2G2于F2点,其圆心在节圆上;所述直线F2G2段前切销齿圆弧于F2点,后切圆弧G2H2于G2点,与阴转子上的圆弧包络线F1G1共轭;所述对滚圆弧G2H2段以O2为圆心,r2为半径,分别与直线和圆弧包络线相切于G2点和H2点,与阴转子上的圆弧G1H1共轭。
6.根据权利要求5所述的双齿压缩机的转子型线,其特征在于,所述阴、阳转子的A1、B1、D1、E1、F1、G1、H1、A2、B2、C2、E2、F2、G2、H2点均为公切点,所述阴、阳转子的C1、D2点均为尖点,与点啮合摆线啮合时形成的工作腔最小容积能达到零。
7.根据权利要求6所述的双齿压缩机的转子型线,其特征在于,A1B1是与以r1为半径的圆弧相切的直线,方程为:x1=r1cos2ф+tsin2ф,y1=r1sin2ф-tcos2ф,0≤t≤rtsinф,上式中的ф是指A1B1、B2C2不在同一直线时,A1O1与转子连心线O1O2所成的夹角;A2B2是A1B1的共轭曲线,根据平面啮合条件,A2B2的方程为:x2=-r1cos2(t+ф)-t0sin2(t+ф)+2rtcost,y2=-r1sin2(t+ф)-t0cos2(t+ф)-2rtsint,t0=rtsin(t+2ф),其中,-2ф≤t≤-ф;B2C2是与齿根圆相切的直线,方程为:x2=r,y2=t,0≤t≤rtsinф;B1C1是B2C2的共轭型线,B1C1的方程为:x1=-rcos2t-rtsintsin2t+2rtcost,y1=-rsin2t-rtsintcos2t-2rtsint,其中,-ф≤t≤0;C1D1是伸长外摆线,与D2相啮合,方程为:x1=-Rcos2t+2rtcost,y1=Rsin2t-2rtsint,其中,0≤t≤γ;C2D2是伸长外摆线,与C1相啮合,方程与C1D1的方程相同,C2D2方程如下:x2=-Rcos2t+2rtcost,y2=Rsin2t+2rtsint,其中,-γ≤t≤0;D2E2是半径为R的齿顶圆弧,方程为:x2=Rcost,y2=Rsint,其中,-а≤t≤0;D1E1是半径为r的齿根圆弧,方程为:x1=rcost,y1=rsint,其中,-β≤t≤0;E1F1和E2F2是以r01为半径、圆心在节圆上的销齿圆弧,方程为:x1=(r+r01)cosβ-r01cos(β-t),y1=(r+r01)sinβ+r01sin(β-t),其中,
F2G2是与圆弧相切的直线,方程为:x2=r2cosθ+tsinθ,y2=r2sinθ+tcosθ,其中,F1G1是与直线F2G2啮合的共轭包络线,方程为:x1=(r-r02)cos(θ+δ2)+r02sin(θ+t),y1=(r-r02)sin(θ+δ2)+r02cos(θ+t),其中,0≤t≤π/2+δ2;G1H1是以圆心为O1、半径为r1的对滚圆弧,其型线方程为:x1=r1cost,y1=r1sint,其中,π-(θ+δ2)≤t≤2ф;G2H2是以圆心为O2、半径为r2的对滚圆弧,其型线方程为:x2=r2cost,y2=r2sint,其中,π-θ≤t≤2ф。
8.根据权利要求7所述的双齿压缩机的转子型线,其特征在于,其中,R=ξrt,r=2rt-R,r2=ζrt,r1=2rt-r2, 其中,а,rt,ξ,ζ,r01,r02已知。
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