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CN113217380A - 基于智能算法设计的双螺杆压缩机转子 - Google Patents

基于智能算法设计的双螺杆压缩机转子 Download PDF

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CN113217380A
CN113217380A CN202110567886.8A CN202110567886A CN113217380A CN 113217380 A CN113217380 A CN 113217380A CN 202110567886 A CN202110567886 A CN 202110567886A CN 113217380 A CN113217380 A CN 113217380A
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rotor
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陆征
杨剑
曾跃波
张纬敏
王存华
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Shanghai Qiyao Screw Machinery Co ltd
Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute
711th Research Institute of CSIC
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Shanghai Qiyao Screw Machinery Co ltd
711th Research Institute of CSIC
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    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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Abstract

本发明公开了基于智能算法设计的双螺杆压缩机转子，包括阴转子和阳转子，阴转子与阳转子的啮合线由八段曲线首尾光滑连接而成，该八段曲线依次包括圆弧段AB、圆弧段BC、椭圆弧段CD、圆弧段DE、三次样条曲线段EF、三次样条曲线段FG、圆弧段GH和圆弧段HA；阴转子的端面及阳转子的端面的各齿型均由八段曲线首尾光滑连接而成，分别由啮合线转换而获得。采用上述方案后，由于能使阳转子与阴转子在工作过程中实现最佳啮合，相邻两段组成齿曲线在连接点处光滑过渡，转子齿数比较大，可承受比较大的压差，转子面积利用系数比较大，接触线较短和泄漏三角形相对较小，型线成流线型，具有好的热力学性能，提高了螺杆压缩机的工作效率。

Description

基于智能算法设计的双螺杆压缩机转子
技术领域
本发明涉及螺杆压缩机的转子端面齿型，尤其涉及一种双螺杆压缩机的转子型线。
背景技术
螺杆压缩机借助一对在机壳内做回转运动的螺杆转子来实现对气体旳压缩和动力的传输。凭借着结构简单、动力平衡性好和节能高效等一系列独特的优点，螺杆压缩机己成为近年来发展最快的一种容积式压缩机械，从而被广泛地应用于空气动力、制冷空调、石油化工、工艺流程及燃料电池等诸多工业领域。作为核心零件的螺杆转子，其型线(截面齿型)被要求具有尽量大的齿间容积、良好的啮合特性和较小的气体动力损失。螺杆转子的型线通常由多段曲线连接组成，型线复杂非对称，其螺旋齿形还具有螺距大、螺旋升角大和齿形高度大等特点，决定了压缩机的大部分的性能参数的高低。螺杆压缩机是靠啮合线来达到转子间的密封的，在转子受力变形、受热膨胀及其转子型线的啮合特性这些方面进行研究，以此为基础设计出新型高效的转子型线，可提高双螺杆压缩机的工作效率。而针对压缩机在运转过程中的摩擦、泄漏以及热交换等机理方面进行研究，并针对不同的问题进行优化设计可进一步提高相关性能及参数。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种双螺杆压缩机转子，其能使阳转子与阴转子在工作过程中实现最佳啮合，相邻两段组成齿曲线在连接点处光滑过渡，转子齿数比较大，可承受比较大的压差，转子面积利用系数比较大，接触线较短和泄漏三角形相对较小，型线成流线型，具有好的压缩机热力学性能，从而提高螺杆压缩机的工作效率，并在加工过程中提高精度，延长刀具的寿命。
根据本发明实施例的双螺杆压缩机的转子，包括阴转子和阳转子，阴转子与阳转子的啮合线由八段曲线首尾光滑连接而成，该八段曲线依次包括圆弧段AB、圆弧段BC、椭圆弧段CD、圆弧段DE、三次样条曲线段EF、三次样条曲线段FG、圆弧段GH和圆弧段HA；阴转子的端面及阳转子的端面的各齿型均由八段曲线首尾光滑连接而成，其中：阴转子端面的各齿型的齿曲线包括顺序连接的曲线段A2B2、曲线段B2C2、曲线段C2D2、曲线段D2E2、曲线段E2F2、曲线段F2G2、曲线段G2H2和曲线段H2I2，阳转子端面的各齿型的齿曲线包括曲线段A1B1、曲线段B1C1、曲线段C1D1、曲线段D1E1、曲线段E1F1、曲线段F1G1、曲线段G1H1和曲线段H1I1；曲线段A2B2、曲线段B2C2、曲线段C2D2、曲线段D2E2、曲线段E2F2、曲线段F2G2、曲线段G2H2和曲线段H2I2分别由圆弧段AB、圆弧段BC、椭圆弧段CD、圆弧段DE、三次样条曲线段EF、三次样条曲线段FG、圆弧段GH和圆弧段HA从啮合线坐标系转换至阴转子坐标系而获得，曲线段A1B1、曲线段B1C1、曲线段C1D1、曲线段D1E1、曲线段E1F1、曲线段F1G1、曲线段G1H1和曲线段H1I1分别由圆弧段AB、圆弧段BC、椭圆弧段CD、圆弧段DE、三次样条曲线段EF、三次样条曲线段FG、圆弧段GH和圆弧段HA从啮合线坐标系转换至阳转子坐标系而获得。
本发明实施例的双螺杆压缩机的转子齿型相比其他齿型至少具有以下优点和特点：
1.通过优化啮合线，使得阴转子采用了比较合适的齿深半径，齿形面积利用系数达到了57％，非常适合于大流量的压缩机，同时又保留比较大的齿厚，使得阴转子达到比较好的刚性条件；
2.阴转子的型线设计成流线型，减小了气流的扰动阻力，减少了损失，降低了噪音，提高了转子的运行效率；
3.型线齿面间光滑连接，便于采用加工和检测，使得螺杆转子刀具寿命大大增加；
4.双螺杆压缩机的性能主要是通过啮合线来反映的，本发明实施例将传统的正向设计方法与基于啮合线法的逆向设计方法结合起来，能够更好地保证转子型线的性能。通过啮合线调整使得转子间接触线长度比较短，泄露三角形比较小，提高了转子的压缩机能承受的压力差，增加了齿形的面积，提高螺杆压缩机的效率。利用神经网络算法对生成的啮合轮廓进行优化，使得接触线长度达到比较小情况下，尽量减少泄露三角形面积，较大程度减少了压缩机的泄露，相对容积效率达到比较高。
附图说明
图1示出了本发明一实施例的阴转子和阳转子在相互啮合时的示意图。
图2示出了本发明阴转子的一个实施例的齿型线示意图。
图3示出了本发明阳转子的一个实施例的齿型线示意图。
图4示出了本发明一实施例的阴转子和阳转子的啮合线示意图。
图中：O1是阳转子的轴心，O2是阴转子的轴心；Mj是阳转子的节圆，R1是阳转子的节圆半径；Fj是阴转子的节圆，R2是阴转子的节圆半径；A是两转子的中心距，A＝R1+R2；O3是啮合线圆弧AB的圆心，R3是啮合线圆弧AB的半径；O4是啮合线圆弧BC的圆心，R4是啮合线圆弧BC的半径；O5是啮合线椭圆弧CD的中心；O6是啮合线圆弧DE的圆心，R6是啮合线圆弧DE的半径；O7是啮合线圆弧GH的圆心，R7是啮合线圆弧GH的半径；O8是啮合线圆弧HA的圆心，R8是啮合线圆弧HA的半径。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明双螺杆压缩机转子的齿型进行详细说明。
请参阅图1至图4。根据本发明一实施例的双螺杆压缩机的转子包括阴转子F和阳转子M。阴转子F和阳转子M为双边不对称齿型的阴转子和阳转子，且阴转子F上的齿数多于阳转子M上的齿数。本实施例中，阳转子M与阴转子F的齿数比为4:6。
如图4所示，阴转子F与阳转子M的啮合线由八段曲线首尾光滑连接而成，该八段曲线依次包括圆弧段AB、圆弧段BC、椭圆弧段CD、圆弧段DE、三次样条曲线段EF、三次样条曲线段FG、圆弧段GH和圆弧段HA。
在本实施例中，阴转子F与阳转子M的啮合线中：
圆弧段AB是以阴转子节圆内部的O3为圆心、半径为n1倍阴转子节圆半径的一段圆弧，n1为大于0.2、小于等于0.25的正数，圆弧段AB在起点A处与圆弧段HA光滑连接，在终点B处与圆弧段BC相切连接；
圆弧段BC是以阴转子节圆内部的O4为圆心、半径为n2倍阴转子节圆半径的一段圆弧，n2为大于0.3、小于等于0.4的正数，圆弧段BC在起点B处与圆弧段AB光滑连接，在终点C处与椭圆弧段CD相切连接；
椭圆弧段CD是以阴转子节圆内部的O5为中心、长轴为n3倍阴转子节圆半径、短轴为n4倍阴转子节圆半径的一段椭圆弧；n3为大于0.6、小于等于0.8的正数，n4为大于0.3、小于等于0.5的正数，椭圆弧段CD在起点C处与圆弧段BC光滑连接，在终点D处与圆弧段DE相切连接；
圆弧段DE是以阳转子节圆外部的O6为圆心、半径为n5倍阴转子节圆半径的一段圆弧；n5为大于0.05、小于等于0.1的正数；圆弧段DE在起点D处与椭圆弧段CD光滑连接，在终点E处与三次样条曲线段EF相切连接；
三次样条曲线段EF在起点E处与圆弧段DE光滑连接，在终点F处与三次样条曲线段FG相切连接；
三次样条曲线段FG在起点F处与三次样条曲线段EF光滑连接，在终点G处与圆弧段GH相切连接；
圆弧段GH是以阳转子节圆外部的O7为圆心、半径为n6倍阴转子节圆半径的一段圆弧；n6为大于0.5、小于等于0.7的正数，圆弧段GH在起点G处与三次样条曲线段FG光滑连接，在终点H处与圆弧段HA相切连接；
圆弧段HA是以阳转子节圆外部的O8为圆心、半径为n7倍阴转子节圆半径的一段圆弧；n7为大于0.7、小于等于0.9的正数，圆弧段HA在起点H处与圆弧段GH光滑连接，在终点A处与圆弧段AB相切连接。
请配合参阅图1至图3。阴转子F的端面及阳转子M的端面的各齿型均由八段曲线首尾光滑连接而成，其中：所述阴转子端面的各齿型的齿曲线包括顺序连接的曲线段A2B2、曲线段B2C2、曲线段C2D2、曲线段D2E2、曲线段E2F2、曲线段F2G2、曲线段G2H2和曲线段H2I2，阳转子端面的各齿型的齿曲线包括曲线段A1B1、曲线段B1C1、曲线段C1D1、曲线段D1E1、曲线段E1F1、曲线段F1G1、曲线段G1H1和曲线段H1I1。
阴转子端面的各齿型的曲线段A2B2、曲线段B2C2、曲线段C2D2、曲线段D2E2、曲线段E2F2、曲线段F2G2、曲线段G2H2和曲线段H2I2分别由圆弧段AB、圆弧段BC、椭圆弧段CD、圆弧段DE、三次样条曲线段EF、三次样条曲线段FG、圆弧段GH和圆弧段HA从啮合线坐标系转换至阴转子坐标系而获得，啮合线坐标系转化为阴转子坐标系的公式如下所示：
Figure BDA0003081548610000051
其中r2是求出阴转子齿形坐标的阴转子方程，ts是啮合坐标参数，R2是阴转子的节圆的半径，X,Y为啮合线坐标，
Figure BDA0003081548610000052
为啮合线变化到阴转子齿形坐标的角度。
阳转子端面的各齿型的曲线段A1B1、曲线段B1C1、曲线段C1D1、曲线段D1E1、曲线段E1F1、曲线段F1G1、曲线段G1H1和曲线段H1I1分别由圆弧段AB、圆弧段BC、椭圆弧段CD、圆弧段DE、三次样条曲线段EF、三次样条曲线段FG、圆弧段GH和圆弧段HA从啮合线坐标系转换至阳转子坐标系而获得。啮合线坐标系转化为阳转子坐标系的公式如下所示：
Figure BDA0003081548610000053
其中r1是求出阳转子齿形坐标的阳转子方程，ts是啮合坐标参数，R1是阳转子的节圆的半径，X,Y为啮合线坐标，
Figure BDA0003081548610000054
为啮合线变化到阳转子齿形坐标的角度。
这样，螺杆压缩机阴阳转子的端面齿型就完全作出来了。

Claims (4)

1.双螺杆压缩机的转子，包括阴转子和阳转子，其特征在于，所述阴转子与所述阳转子的啮合线由八段曲线首尾光滑连接而成，该八段曲线依次包括圆弧段AB、圆弧段BC、椭圆弧段CD、圆弧段DE、三次样条曲线段EF、三次样条曲线段FG、圆弧段GH和圆弧段HA；
所述阴转子的端面及所述阳转子的端面的各齿型均由八段曲线首尾光滑连接而成，其中：所述阴转子端面的各齿型的齿曲线包括顺序连接的曲线段A2B2、曲线段B2C2、曲线段C2D2、曲线段D2E2、曲线段E2F2、曲线段F2G2、曲线段G2H2和曲线段H2I2，所述阳转子端面的各齿型的齿曲线包括曲线段A1B1、曲线段B1C1、曲线段C1D1、曲线段D1E1、曲线段E1F1、曲线段F1G1、曲线段G1H1和曲线段H1I1；
曲线段A2B2、曲线段B2C2、曲线段C2D2、曲线段D2E2、曲线段E2F2、曲线段F2G2、曲线段G2H2和曲线段H2I2分别由圆弧段AB、圆弧段BC、椭圆弧段CD、圆弧段DE、三次样条曲线段EF、三次样条曲线段FG、圆弧段GH和圆弧段HA从啮合线坐标系转换至阴转子坐标系而获得，曲线段A1B1、曲线段B1C1、曲线段C1D1、曲线段D1E1、曲线段E1F1、曲线段F1G1、曲线段G1H1和曲线段H1I1分别由圆弧段AB、圆弧段BC、椭圆弧段CD、圆弧段DE、三次样条曲线段EF、三次样条曲线段FG、圆弧段GH和圆弧段HA从啮合线坐标系转换至阳转子坐标系而获得。
2.根据权利要求1所述的双螺杆压缩机的转子，其特征在于，所述阴转子与所述阳转子的啮合线中：
圆弧段AB是以阴转子节圆内部的O3为圆心、半径为n1倍阴转子节圆半径的一段圆弧，n1为大于0.2、小于等于0.25的正数，圆弧段AB在起点A处与圆弧段HA光滑连接，在终点B处与圆弧段BC相切连接；
圆弧段BC是以阴转子节圆内部的O4为圆心、半径为n2倍阴转子节圆半径的一段圆弧，n2为大于0.3、小于等于0.4的正数，圆弧段BC在起点B处与圆弧段AB光滑连接，在终点C处与椭圆弧段CD相切连接；
椭圆弧段CD是以阴转子节圆内部的O5为中心、长轴为n3倍阴转子节圆半径、短轴为n4倍阴转子节圆半径的一段椭圆弧；n3为大于0.6、小于等于0.8的正数，n4为大于0.3、小于等于0.5的正数，椭圆弧段CD在起点C处与圆弧段BC光滑连接，在终点D处与圆弧段DE相切连接；
圆弧段DE是以阳转子节圆外部的O6为圆心、半径为n5倍阴转子节圆半径的一段圆弧；n5为大于0.05、小于等于0.1的正数；圆弧段DE在起点D处与椭圆弧段CD光滑连接，在终点E处与三次样条曲线段EF相切连接；
三次样条曲线段EF在起点E处与圆弧段DE光滑连接，在终点F处与三次样条曲线段FG相切连接；
三次样条曲线段FG在起点F处与三次样条曲线段EF光滑连接，在终点G处与圆弧段GH相切连接；
圆弧段GH是以阳转子节圆外部的O7为圆心、半径为n6倍阴转子节圆半径的一段圆弧；n6为大于0.5、小于等于0.7的正数，圆弧段GH在起点G处与三次样条曲线段FG光滑连接，在终点H处与圆弧段HA相切连接；
圆弧段HA是以阳转子节圆外部的O8为圆心、半径为n7倍阴转子节圆半径的一段圆弧；n7为大于0.7、小于等于0.9的正数，圆弧段HA在起点H处与圆弧段GH光滑连接，在终点A处与圆弧段AB相切连接。
3.根据权利要求1所述的双螺杆压缩机的转子，其特征在于，所述阴转子和所述阳转子的转子齿型呈不对称型，且阴转子上的齿数多于阳转子上的齿数。
4.根据权利要求1所述的双螺杆压缩机的转子，其特征在于，所述阳转子与所述阴转子的齿数比为4:6。
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