阅读说明：本技术 一种爪式压缩机 (Claw type compressor ) 是由 王君 谈庆朋 武萌 刘译阳 董丽宁 李祥艳 于 2020-07-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种爪式压缩机,该压缩机由小爪转子(1)、大爪转子(2)、气缸(3)、后端盖(4)、前端盖(5)组成,小爪转子(1)的端面型线由四段曲线组成,按逆时针方向依次为：第一爪顶圆弧ab、变速螺线bc、第一爪底圆弧cd、第一摆线da、第一爪顶圆弧ab和第一摆线da的交点为第一点a；大爪转子(2)的端面型线由四段曲线组成,按顺时针方向依次为：第二爪底圆弧AB、变速螺线的共轭曲线BC、第二爪顶圆弧CD、第二摆线DA、第二爪顶圆弧CD和第二摆线DA的交点为第一点D；所提出的爪式压缩机具有工作过程多样、设计步骤简单、便于加工的优点,丰富了爪式压缩机转子的型线类型。(The invention discloses a claw type compressor, which consists of a small claw rotor (1), a large claw rotor (2), a cylinder (3), a rear end cover (4) and a front end cover (5), wherein the end surface molded line of the small claw rotor (1) consists of four sections of curves, and the four sections of curves are sequentially arranged in the anticlockwise direction: the intersection point of the first claw top circular arc ab, the speed change spiral bc, the first claw bottom circular arc cd, the first cycloid da, the first claw top circular arc ab and the first cycloid da is a first point a; the end face molded line of the large claw rotor (2) consists of four sections of curves, and the four sections of curves are sequentially in the clockwise direction: a second claw bottom arc AB, a conjugate curve BC of the variable speed spiral, a second claw top arc CD, a second cycloid DA, and an intersection point of the second claw top arc CD and the second cycloid DA are a first point D; the claw type compressor has the advantages of various working processes, simple design steps and convenience in processing, and the molded line types of the claw type compressor rotor are enriched.)

一种爪式压缩机

技术领域

本发明属于压缩机工程技术领域，特别涉及一种爪式压缩机。

背景技术

爪式压缩机依靠齿轮的同步异向双回转运动，带动一对啮合转子转动和啮合，实现工作腔容积的周期性变化，完成气体的吸入、压缩和排出过程，完成整个工作循环；因此转子的型线设计至关重要，对爪式压缩机的工作性能影响极大。

随着能源回收和利用系统越来越得到重视，新型压缩机和膨胀机的研究显得更有必要，对于不同工况下气体的温度和气量需要找到合适的压缩机去匹配，这就有必要设计出新的压缩机类型使其能更好地适应多种工况，保证效率的同时使其结构尽量简单，并同时保证压缩机的寿命和可靠性。

基于这种形势，给出了一种爪式压缩机的设计方案，文献(王君,查海滨,姜希彤,李雪琴,章大海.用于热发电的爪式发动机发电循环装置.山东：CN102926826B,2015-12-09.)中给出了一种热发电系统使用爪式压缩机的方案，但是没有给出具体的型线方程和设计步骤。一般情况下，压缩机内都存在余隙容积，这使得压缩机功耗增大，需要减小余隙容积。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种爪式压缩机，小爪转子和大爪转子都分别由四段曲线组成，并在排气时采用了点和摆线的啮合方式，同时合理地布置排气口的位置，使得余隙容积完全被消除，而且所提出的转子型线设计步骤简单，对于丰富转子型线类型和促进爪式压缩机的发展都具有意义。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种爪式压缩机，包括：小爪转子、大爪转子、气缸、后端盖、前端盖，所述的小爪转子的端面型线由四段曲线组成，按逆时针方向依次为：第一爪顶圆弧ab、变速螺线bc、第一爪底圆弧cd、第一摆线da、第一爪顶圆弧ab和第一摆线da的交点为第一点a；

所述的大爪转子的端面型线由四段曲线组成，按顺时针方向依次为：第二爪底圆弧AB、变速螺线的共轭曲线BC、第二爪顶圆弧CD、第二摆线DA、第二爪顶圆弧CD和第二摆线DA的交点为第一点D；

所述的气缸的内壁端面型线是由两段不同半径的圆弧组成：半径分别为R₁和R₄；

所述的后端盖上开设有吸气口和排气口；

在同步异向双回转运动的工作过程中，小爪转子的组成型线与大爪转子的组成型线能够实现正确的啮合，且啮合关系为：小爪转子的第一爪顶圆弧ab、变速螺线bc、第一爪底圆弧cd、第一摆线da、第一点a，分别与大爪转子的组成型线中的第二爪底圆弧AB、变速螺线的共轭曲线BC、第二爪顶圆弧CD、第二点D、第二摆线DA相啮合；

在工作过程中，小爪转子、大爪转子、气缸、后端盖、前端盖，形成周期变化的3组工作腔：小爪工作腔，大爪工作腔和混合工作腔，所述的小爪工作腔和大爪工作腔公用一个吸气口。

所述的小爪转子的组成型线方程如下：以小爪转子的回转中心O₁点为原点建立坐标系O₁xy；

①第一爪顶圆弧ab的方程为：

②第一爪底圆弧cd的方程为：

③第一摆线da的方程为：

④变速螺线bc的方程为：

⑤节圆的方程为：

以上：t—为角度参数，rad；R₁—为小爪转子第一爪顶圆弧半径，mm；R₂—为节圆半径，mm；R₃—为小爪转子第一爪底圆弧半径，mm；R₄—为大爪转子第二爪顶圆弧半径，mm；θ—为变速螺线的中心角。

所述的大爪转子的组成型线方程如下：以大爪转子的回转中心O₂点为原点建立坐标系O₂xy；

①第二爪底圆弧AB的方程为：

②第二爪顶圆弧CD的方程为：

③第二摆线DA的方程为：

④r_BC＝M₁₂·M_bc

式中：M₁₂为旋转变换矩阵，M_bc为小爪转子变速螺线方程的矩阵形式，如下：

式中：

⑤节圆的方程为：

以上：R₂—为节圆半径，mm；R₄—为大爪转子第二爪顶圆弧半径，mm；R₅—为大爪转子第二爪底圆弧半径，mm；t—角度参数，rad；L—两个转子的中心距。

所述的气缸的端面型线的组成型线方程如下：小爪转子接触部分的气缸和大爪转子接触部分的气缸的中心距为L；

①在坐标系O₁xy中，小爪转子接触部分的气缸型线方程为：

②在坐标系O₂xy中，大爪转子接触部分的气缸型线方程为：

式中：R₁—为小爪转子第一爪顶圆弧半径，mm；R₄—为大爪转子第二爪顶圆弧半径；L—两个转子的中心距。

所述的小爪转子与大爪转子同步旋转一周，所形成的小爪工作腔内的工作气体依次经历吸气过程、等容输送过程、混合过程、混合压缩过程、排气过程5个过程：

①吸气过程：当小爪工作腔与吸气口相连通时，吸气过程开始，随着旋转，当小爪工作腔与吸气口相隔断，吸气过程结束，随后进入等容输送过程；

②等容输送过程：随着小爪转子和大爪转子的旋转，小爪工作腔的封闭容积不变；

③混合过程：当小爪工作腔与大爪工作腔相连通时，小爪工作腔内的气体与大爪工作腔内压缩后的气体进行混合，气体进入混合工作腔；

④混合压缩过程：混合工作腔的封闭容积逐渐减小，其内的气体进行压缩过程；

⑤排气过程：当混合工作腔与排气口相连通时，进入排气过程，排出压缩气体。

所述的小爪转子与大爪转子同步旋转一周，所形成的大爪工作腔内的工作气体依次经历以下6个过程：

①吸气过程：当大爪工作腔与吸气口相连通时，吸气过程开始，随着旋转，当大爪工作腔与吸气口相隔断，吸气过程结束，随后进入等容输送过程；

②等容输送过程：随着小爪转子和大爪转子的旋转，大爪工作腔的封闭容积不变；

③压缩过程：随着小爪转子和大爪转子的旋转，大爪工作腔的封闭容积逐渐减小；

④混合过程：当大爪工作腔与小爪工作腔相连通时，大爪工作腔内压缩后的气体与小爪工作腔内的气体进行混合，气体进入混合工作腔；

⑤混合压缩过程：混合工作腔封闭容积逐渐减小，其内的气体进行压缩过程；

⑥排气过程：当混合工作腔与排气口相连通时，进入排气过程，排出压缩气体。

所述的小爪工作腔与大爪工作腔的相位对应关系：

①小爪工作腔在吸气过程时，大爪工作腔正在进行等容输送和压缩过程；

②小爪工作腔在等容输送过程时，大爪工作腔正在进行压缩过程；

③小爪工作腔在混合过程时，大爪工作腔正在进行混合过程；

④小爪工作腔在混合压缩过程时，大爪工作腔正在进行混合压缩过程；

⑤小爪工作腔在排气过程时，大爪工作腔正在进行排气过程。

后端盖上吸气口的上端点要高于大爪转子的第二爪顶圆弧CD，吸气口的下端点要低于小爪转子的第一爪顶圆弧ab；

后端盖上排气口的下端轮廓直线与大爪转子第二爪顶圆弧CD相切，排气口左端点位于小爪转子与大爪转子的中心连线上。

所述的小爪转子第一爪顶圆弧ab与大爪转子第二爪底圆弧AB开始啮合定义为转子转角为0°的时刻，小爪工作腔与吸气口连通，进行吸气过程，同时上一周期的大爪工作腔进行压缩过程；转子从0°转动到47°时，小爪工作腔的容积逐渐增大，并分成大爪工作腔和小爪工作腔两个独立的工作腔；转子从47°转动到78°时，小爪工作腔吸气过程结束，进行等容输送过程，同时左侧的大爪工作腔进行吸气过程，右侧的大爪工作腔进行压缩过程；转子从78°转动到203°时，小爪工作腔等容输送过程的气体与右侧的大爪工作腔压缩过程后的气体相混合，形成一个新的混合工作腔，进行混合压缩过程；转子从203°转动到360°时，小爪转子的外轮廓与排气口右端点重合时，为混合工作腔开始连通排气孔前的最小排气容积，紧接着排气口打开，排出所有压缩后的气体。

本发明的有益效果为：

①所提出的一种爪式压缩机，除了具有传统压缩机吸气、压缩和排气三个工作过程外，还具有独特的混合增压过程。

②所提出的一种爪式压缩机，排气时采用了点和摆线的的啮合方式，同时在合适位置开设排气口，使压缩机完全消除了余隙容积，节省了功耗。

③所提出的一种爪式压缩机小爪转子和大爪转子型线组成简单，便于加工制造。

④所提出的一种爪式压缩机采用了小爪转子和大爪转子的不对称分布方式，使得在相同的吸气量和排除压力状况下，减小了连接小爪转子同步齿轮的载荷。

⑤所提出的一种爪式压缩机丰富了爪式压缩机转子型线的类型。

附图说明

图1是一种爪式压缩机的小爪转子(1)型线图。

图2是一种爪式压缩机的大爪转子(2)型线图。

图3是一种爪式压缩机的小爪转子(1)和大爪转子(2)的啮合示意图。

图4是小爪转子(1)为0°时的工作过程示意图。

图5是小爪转子(1)为47°时开始等容输送过程的工作过程示意图。

图6是小爪转子(1)从47°转动到78°时等容输送过程的工作过程示意图。

图7是小爪转子(1)从78°转动到203°时混合过程的工作过程示意图。

图8是小爪转子(1)为203°时开始排气过程的工作过程示意图。

图9是小爪转子(1)从203°转动到360°时排气过程的工作过程示意图。

图10是小爪转子(1)从203°转动到360°时排气过程结束的工作过程示意图。

图11是一种爪式压缩机排气口(402)开设位置的局部放大图。

图12是一种爪式压缩机的主要组成零件图。

图13是一种爪式压缩机的后端盖(4)零件图。

图中：R₁—小爪转子(1)第一爪顶圆弧ab的半径；R₂—节圆半径；R₃—小爪转子(1)第一爪底圆弧cd的半径；R₄—大爪转子(2)第二爪顶圆弧CD的半径；R₅—大爪转子(2)第二爪底圆弧AB的半径；101—小爪工作腔(101)；201—大爪工作腔(201)；102—混合工作腔(102)；1—小爪转子(1)；2—大爪转子(2)；3—气缸(3)；4—后端盖(4)；5—前端盖(5)；401—吸气口(401)；402—排气口(402)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，为一种爪式压缩机的小爪转子1型线图，小爪转子1的端面型线包括：2段圆弧、1段摆线和1段变速螺线，按逆时针方向依次为：第一爪顶圆弧ab、变速螺线bc、第一爪底圆弧cd、第一摆线da；建立坐标系O₁xy，O₁为原点；所述的小爪转子1第一爪顶圆弧ab、第一爪底圆弧cd、节圆，其方程如下：

第一爪顶圆弧ab的方程为：

第一爪底圆弧cd的方程为：

节圆的方程为：

以上：t—为角度参数，rad；R₁—为小爪转子1第一爪顶圆弧半径，mm；R₂—为节圆半径，mm；R₃—为小爪转子1第一爪底圆弧半径，mm；

所述的小爪转子1第一摆线da和变速螺线bc，其方程如下：

第一摆线da的方程为：

变速螺线bc的方程为：

以上：R₄—为大爪转子2第二爪顶圆弧半径，mm；θ—为变速螺线的中心角。

如图2所示，为一种爪式压缩机的大爪转子2型线图，大爪转子2的端面型线包括：2段圆弧、1段摆线和1段变速螺线的共轭曲线，按顺时针方向依次为：第二爪底圆弧AB、变速螺线的共轭曲线BC、第二爪顶圆弧CD、第二摆线DA；建立坐标系O₂xy，O₂为原点；所述的大爪转子2第二爪底圆弧AB、第二爪顶圆弧CD、节圆，其方程如下：

第二爪底圆弧AB的方程为：

第二爪顶圆弧CD的方程为：

节圆的方程为：

以上：t—为角度参数，rad；R₂—为节圆半径，mm；R₄—为大爪转子2第二爪顶圆弧半径，mm；R₅—为大爪转子2第二爪底圆弧半径，mm；

所述的大爪转子(2)第一摆线DA和变速螺线的共轭曲线BC，其方程如下：

第二摆线DA的方程为：

变速螺线的共轭曲线BC的方程为：r_BC＝M₁₂·M_bc

式中：M₁₂为旋转变换矩阵，M_bc为小爪转子1变速螺线方程的矩阵形式，如下：

式中：

L—两个转子的中心距；

以上：t—角度参数，rad。

如图3所示，为一种爪式压缩机的小爪转子1和大爪转子2的啮合示意图，在同步异向双回转运动的工作过程中，小爪转子1的组成型线与大爪转子2的组成型线能够实现正确的啮合，且啮合关系为：小爪转子1的组成型线中的第一爪顶圆弧ab、变速螺线bc、第一爪底圆弧cd、第一摆线da、第一点a，分别与大爪转子2的组成型线中的第二爪底圆弧AB、变速螺线的共轭曲线BC、第二爪顶圆弧CD、第二点D、第二摆线DA相啮合。

如图4所示，为小爪转子1为0°时的工作过程示意图，当转子所示的位置移动时，小爪工作腔101与吸气口401连通不断吸气。

如图5所示，为小爪转子1为47°时开始等容输送过程的工作过程示意图，随着转子的旋转，小爪工作腔101被分成小爪工作腔101和左侧的大爪工作腔201，小爪工作腔101与吸气口401切断，小爪工作腔101实现等容输送过程，左侧的大爪工作腔201与吸气口401连通不断吸气，这种吸气持续到吸气口401被大爪转子2切断，右侧的大爪工作腔201的气体不断被压缩。

如图6所示，为小爪转子1从47°转动到78°时等容输送过程的工作过程示意图，小爪工作腔101的气体等容输送到即将与右侧的大爪工作腔201中的压缩气体混合，而此时右侧的大爪工作腔201的容积也达到了最小。

如图7所示，为小爪转子1从78°转动到203°时混合过程的工作过程示意图，小爪工作腔101和右侧的大爪工作腔201压缩后的气体混合形成新的混合工作腔102。

如图8所示，为小爪转子1为203°时开始排气过程的工作过程示意图，小爪转子1的外轮廓线与排气口402右端点重合，排气口402即将打开时，为混合工作腔102开始连通排气孔前的最小排气容积。

如图9所示，为小爪转子1从203°转动到360°时排气过程的工作过程示意图，排气口402已经打开，开始排气，此时大爪工作腔201也完成吸气，开始等容输送过程，新形成的小爪工作腔101也在不断吸气。

如图10所示，为小爪转子1从203°转动到360°时排气过程结束的工作过程示意图，压缩气体从排气口402全部排出。

如图11所示，为一种爪式压缩机排气口402开设位置的局部放大图，排气口402的开设取决于小爪转子1与大爪转子2最后排气产生余隙容积的位置，使排气口402的下端轮廓直线与大爪转子2第二爪顶圆弧相切，排气口402左端点位于小爪转子1与大爪转子2中心连接的中心线上，这就避免了余隙容积的产生。

如图12所示，为一种爪式压缩机的主要组成零件图，包括：小爪转子1、大爪转子2、气缸3、后端盖4和前端盖5，后端盖4上开设有吸气口401和排气口402，在工作过程中能够形成吸气腔、等容封闭腔、压缩腔、混合压缩腔和排气腔，分别用于气体的吸气、等容输送、压缩、混合压缩和排气过程；所述的吸气腔的容积逐渐增大且始终与吸气口401相连通，所述的等容封闭腔的容积不变且封闭，所述的压缩腔的容积封闭且逐渐减小，所述的混合压缩腔的容积封闭且逐渐减小，所述的排气腔的容积逐渐减小且始终与排气口402相连通。

如图13所示，为一种爪式压缩机的后端盖4零件图，可以观察到吸气口401和排气口402在后端盖4上的开设位置和形状，吸气口401开设的原则是：吸气口401上端点必须高于大爪转子2第二爪顶圆弧才能保小爪工作腔101不断吸气，吸气口401下端点必须低于小爪转子1第一爪顶圆弧才能保证大爪工作腔201不断吸气。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。