一种双螺杆转子及膨胀机、压缩机
阅读说明:本技术 一种双螺杆转子及膨胀机、压缩机 (Double-screw rotor, expander and compressor ) 是由 李丹童 何志龙 韦炜 林栋� 邢子文 于 2019-11-01 设计创作,主要内容包括:一种双螺杆转子及膨胀机、压缩机,转子包括在转动过程中能够实现相互啮合的阳转子和阴转子;阳转子型线与阴转子型线中的线段A<Sub>i</Sub>A<Sub>i+1</Sub>与线段B<Sub>i</Sub>B<Sub>i+1</Sub>(i=1,2,3,4,5,6,7,8,9)进行啮合;组合成的阳转子型线与阴转子型线各自相邻曲线段交点处连续且斜率连续;按照阴阳转子型线的齿数n<Sub>1</Sub>、n<Sub>2</Sub>分别进行重复旋转生成<Image he="119" wi="169" file="DDA0002257959570000011.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>条单齿齿形,并依次首尾连接而生成完整的阴阳转子型线。本发明双螺杆转子相比传统型线转子能够实现传力齿与密封齿的分别设计,有效提高转子的耐磨性与效率,改善双螺杆膨胀机及压缩机的综合性能。(A double-screw rotor, an expander and a compressor are provided, wherein the rotor comprises a male rotor and a female rotor which can realize mutual meshing in the rotating process; line segment A in male and female rotor profiles i A i+1 And line segment B i B i+1 (i ═ 1,2,3,4,5,6,7,8,9) for meshing; the intersection points of the adjacent curve sections of the combined male rotor molded line and the female rotor molded line are continuous and have continuous slopes; number of teeth n according to the profile of the male-female rotor 1 、n 2 Respectively performing repeated rotation generation A single-tooth-shaped strip, which are connected end to end in turn to form a complete femaleThe male rotor profile. Compared with the traditional molded line rotor, the double-screw rotor disclosed by the invention can realize the respective design of the force transmission teeth and the sealing teeth, effectively improve the wear resistance and efficiency of the rotor, and improve the comprehensive performance of the double-screw expander and the compressor.)
技术领域
本发明属于机械工程设计领域,具体涉及一种双螺杆转子及膨胀机、压缩机。
背景技术
双螺杆膨胀机是一种容积式回转机械,多用于热能的回收利用。它继承了回转机械寿命长,运转可靠,振动小,噪音低,工作平稳,无喘振现象等诸多优点,同时具有无气阀等易损件,强制吸排气,加工简单等特点,是中低温余热回收利用机组膨胀机的主要类型。
双螺杆膨胀机的核心部件为两个转子,转子型线的选取决定了转子的结构,从而影响着压缩机的整体运行性能,对转子的优化设计也是制造高性能双螺杆膨胀机的关键技术。传统的双螺杆膨胀机通过反转双螺杆压缩机改装完成。然而对于接触式双螺杆转子而言,由于膨胀机与压缩机两者的阴阳转子运转方向完全相反,导致膨胀机的转子受力点位于螺杆上部,压缩机的转子受力点位于螺杆下部,而双螺杆转子的上部型线作为密封作用,不宜传递力,从而会造成螺杆膨胀机转子上部型线的磨损,因此会对其性能造成影响。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中螺杆膨胀机转子上部型线磨损的问题,提供一种双螺杆转子及膨胀机、压缩机,兼顾转子的密封与受力性能,提高转子的耐磨性与效率。
为了实现上述目的,本发明有如下的技术方案:
一种双螺杆转子,包括在转动过程中能够实现相互啮合的阳转子和阴转子;阳转子型线的单齿齿形A1A2A3A4A5A6由首尾依次连接的齿根圆弧段A1A2,圆弧包络线段A2A3,圆弧段A3A4,圆弧段A4A5以及圆弧包络线段A5A6组成,其相邻的单齿齿形A6A7A8A9A10由首尾依次连接的齿根圆弧段A6A7,圆弧包络线段A7A8,圆弧段A8A9以及点啮合外摆线段A9A10组成;阴转子型线的单齿齿形B1B2B3B4B5B6由首尾依次连接的齿顶圆弧段B1B2,圆弧段B2B3,圆弧包络线段B3B4,圆弧包络线段B4B5以及圆弧段B5B6组成,其相邻的单齿齿形B6B7B8B9B10由首尾依次连接的齿顶圆弧段B6B7,圆弧段B7B8,圆弧包络线段B8B9以及点啮合外摆线段B9B10组成;型线中的线段AiAi+1与线段BiBi+1(i=1,2,3,4,5,6,7,8,9)进行啮合;组合成的阳转子型线A1A2A3A4A5A6A7A8A9的相邻曲线段交点处连续且斜率连续,组合成的阴转子型线B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10的相邻曲线段交点处连续且斜率连续;按照阴阳转子型线的齿数n1、n2分别进行重复旋转生成
条单齿齿形,并依次首尾连接而生成完整的阴阳转子型线。阴转子型线的齿顶圆半径为rf,齿根圆弧段A1A2的参数方程为:
其中,阳转子型线原点为Om,阴转子型线原点为Of,两转子中心距OmOf为c;
∠A1OmA2为可设计变量;
阳转子型线的圆弧包络线段A2A3与阴转子型线的圆弧段B2B3相啮合;
圆弧包络线段A2A3的参数方程表示为:
带入圆弧段B2B3的参数方程:
可得,
其中,阳转子齿数为n1,阴转子齿数为n2,阴转子齿顶圆半径为rf;
α与θ的关系由啮合定理推出,表示为:
其中,参数
的几何含义为圆弧段B2B3的半径,为可设计变量;参数由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出。阳转子齿顶圆半径为rm,阳转子型线的圆弧段A3A4的参数方程为:
其中,参数
的几何含义为圆弧段A3A4的半径,为可设计变量;参数由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出;阳转子型线的圆弧段A4A5的参数方程为:
其中,参数
的几何含义为圆弧段A4A5的半径,为可设计变量;参数由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出;阳转子型线的圆弧包络线段A5A6与圆弧段B5B6相啮合;
圆弧包络线段A5A6的参数方程表示为:
阳转子型线原点为Om,阴转子型线原点为Of,两转子中心距OmOf为c;
带入圆弧段B5B6的参数方程:
可得,
其中,阳转子齿数为n1,阴转子齿数为n2,阴转子齿顶圆半径为rf;
α与θ的关系由啮合定理推出,表示为:
其中,参数的几何含义为圆弧段B5B6的半径,为可设计变量;参数
由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出。阳转子型线的齿根圆弧段A6A7的参数方程为:
式中的
其中∠A1OmA6,∠A7OmA10在其他曲线段求解完毕后给出。
阳转子型线的圆弧包络线段A7A8与圆弧段B7B8相啮合;
圆弧包络线段A7A8的参数方程表示为:
阳转子型线原点为Om,阴转子型线原点为Of,两转子中心距OmOf为c;
带入圆弧段B7B8的参数方程:
可得,
其中,其中,阳转子齿数为n1,阴转子齿数为n2,阴转子齿顶圆半径为rf;
α与θ的关系由啮合定理推出,表示为:
其中,参数
的几何含义为圆弧段B7B8的半径,为可设计变量;参数由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出。阳转子型线的圆弧段A8A9的参数方程为:
其中,参数
的几何含义为圆弧段A8A9的半径,为可设计变量;参数由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出;阳转子型线的点啮合外摆线段A9A10与点B10相啮合,其参数方程为:
其中,阳转子齿顶圆半径为rm,阳转子型线原点为Om,阴转子型线原点为Of,两转子中心距OmOf为c,阳转子齿数为n1,阴转子齿数为n2,
参数由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出。阳转子型线的齿顶圆半径为rm,齿顶圆弧段B1B2的参数方程为:
其中
阳转子齿数为n1,阴转子齿数为n2,阴转子齿顶圆半径为rf;阳转子型线原点为Om,阴转子型线原点为Of,两转子中心距OmOf为c;
阴转子型线的圆弧段B2B3与圆弧包络线段A2A3相啮合;
圆弧段B2B3的参数方程表示为:
其中参数
的几何含义为圆弧段B2B3的半径,为可设计变量;参数由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出。阴转子型线的圆弧包络线段B3B4与圆弧段A3A4相啮合;
圆弧包络线段B3B4参数方程表示为:
带入圆弧弧段A3A4的参数方程:
可得,
其中,阳转子型线原点为Om,阴转子型线原点为Of,两转子中心距OmOf为c;阳转子齿数为n1,阴转子齿数为n2,阳转子齿顶圆半径为rm,α与θ的关系由啮合定理推出,表示为:
其中参数的几何含义为圆弧段A3A4的半径,为可设计变量;参数
由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出;阴转子型线的圆弧包络线段B4B5与圆弧段A4A5相啮合;
圆弧包络线段B4B5的参数方程表示为:
带入圆弧段A4A5的参数方程:
可得,
其中,α与θ的关系由啮合定理推出,表示为:
其中参数
的几何含义为圆弧段A4A5的半径,为可设计变量;参数由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出。阴转子型线的圆弧段B5B6的参数方程为:
其中阴转子齿顶圆半径为rf;参数
的几何含义为圆弧段B5B6的半径,为可设计变量;参数由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出;阴转子型线的齿顶圆弧段B6B7的参数方程为:
其中,阳转子型线原点为Om,阴转子型线原点为Of,两转子中心距OmOf为c;
阴转子型线的圆弧段B7B8与圆弧包络线段A7A8相啮合,其参数方程表示为:
其中参数
的几何含义为圆弧段B7B8的半径,为可设计变量;参数由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出。阴转子型线的圆弧包络线段B8B9与圆弧段A8A9相啮合;
圆弧包络线段B8B9的参数方程表示为:
带入圆弧弧段A8A9的参数方程:
可得,
其中,α与θ的关系由啮合定理推出,表示为:
其中参数的几何含义为圆弧段A8A9的半径,为可设计变量;参数
由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出;阴转子型线的点啮合摆线段B9B10与点A9相啮合;
点啮合摆线段B9B10参数方程表示为:
其中参数
阳转子型线原点为Om,阴转子型线原点为Of,两转子中心距OmOf为c;阳转子齿数为n1,阴转子齿数为n2,阳转子齿顶圆半径为rm,参数由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出。本发明还提供了一种双螺杆膨胀机和双螺杆压缩机,具有所述的双螺杆膨胀机转子。
相较于现有技术,本发明具有如下的有益效果:
传统双螺杆转子运行时,阳转子齿形上半部分与阴转子齿形上半部分相互啮合,同时起到密封与传递力的作用,但是由于原始转子结构的型线上半部分并不适宜传递力矩,容易造成螺杆磨损,从而影响螺杆转子的工作效率、可靠性与寿命等性能。本发明能够实现传力齿与密封齿的分开设计,转子型线中的线段AiAi+1与线段BiBi+1互相啮合,从而有效的提高转子的耐磨性以及工作效率,提高了双螺杆膨胀机及压缩机的综合性能。
附图说明
图1原始转子型线示意图;
图2采用原始转子型线的双螺杆压缩机转子运行示意图;
图3采用原始转子型线的双螺杆膨胀机转子运行示意图;
图4本发明4/6齿转子型线示意图;
图5采用本发明转子型线的4/6齿双螺杆膨胀机转子运行示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1,在原始双螺杆转子型线中,左侧阳转子型线A1A2A3A4A5为单齿齿形,单齿齿形A1A2A3A4A5绕阳转子型线原点Om旋转
后再与齿形A1A2A3A4A5首尾相连,如此重复n1次后便形成了左侧阳转子型线,其中n1表示其齿数,在图1中n1取为4。同样,右侧阴转子型线同样由单齿齿形B1B2B3B4B5唯一决定。在原始齿形中,A1A2A3A4A5由圆弧段A1A2,圆弧包络线段A2A3,圆弧段A3A4,外摆线段A4A5组成,B1B2B3B4B5由圆弧段B1B2,圆弧段B2B3,圆弧包络线段B3B4,点啮合外摆线段B4B5组成。阳转子的外径由rm表示,对应的节圆半径由rpm表示,阴转子外径由rf表示,对应的节圆半径由rpf表示,两转子中心距OmOf为c,型线中rf=rpf。该类型线由参数OmOf,n1,n2,rm,圆弧段A3A4的半径,圆弧段B2B3的半径唯一决定。如图2所示,原始型线作为双螺杆压缩机转子型线运行时,阳转子齿形上半部分A4A5与阴转子齿形上半部分B4B5相互啮合,密封两相邻的工作腔,阳转子齿形下半部分A2A3A4与阴转子齿形下半部分B2B3B4相互啮合,传递力矩。而如图3所示,原始型线作为双螺杆膨胀机转子型线运行时,阳转子齿形上半部分A4A5与阴转子齿形上半部分B4B5相互啮合,同时起到密封与传递力的作用,由于原始型线上半部分并不适宜传递力矩,易造成螺杆磨损,从而影响螺杆转子的工作效率,可靠性与寿命等性能。
为了解决原始转子型线作为膨胀机使用时的磨损问题,将图1中原始转子型线处于啮合状态的阳转子单齿齿形A1A2A3A4A5与阴转子单齿齿形B1B2B3B4B5分别修正为如图4所示的阳转子单齿齿形A1A2A3A4A5A6与阴转子单齿齿形B1B2B3B4B5B6。
图4中本发明的双螺杆膨胀机左侧阳转子型线的单齿齿形A1A2A3A4A5A6由首尾依次连接的齿根圆弧段A1A2,圆弧包络线段A2A3,圆弧段A3A4,圆弧段A4A5,圆弧包络线段A5A6组成。双螺杆膨胀机左侧阳转子与单齿齿形A1A2A3A4A5A6相邻的单齿齿形A6A7A8A9A10由首尾依次连接的齿根圆弧段A6A7,圆弧包络线段A7A8,圆弧段A8A9,点啮合外摆线段A9A10组成。
图4中本发明的双螺杆膨胀机右侧阴转子型线的单齿齿形B1B2B3B4B5B6由首尾依次连接的齿顶圆弧段B1B2,圆弧段B2B3,圆弧包络线段B3B4,圆弧包络线段B4B5,圆弧段B5B6组成。双螺杆膨胀机右侧阴转子型线的单齿齿形B6B7B8B9B10由首尾依次连接的齿顶圆弧段B6B7,圆弧段B7B8,圆弧包络线段B8B9,点啮合外摆线段B9B10组成。
本发明阴阳转子型线,在转动啮合过程中,可以实现正确的啮合,线段AiAi+1与线段BiBi+1(i=1,2,3,4,5,6,7,8,9)进行啮合。阴阳转子型线形状由OmOf的中心距c,阳转子齿数n1,阴转子齿数n2,阳转子齿顶圆半径rm,阴转子齿顶圆半径rf,齿根圆弧段A1A2的中心转角∠A1OmA2及圆弧段B2B3、A3A4、A4A5、B5B6、B7B8、A8A9的半径唯一决定。
阴转子型线的齿顶圆半径为rf,左侧阳转子型线齿根圆弧段A1A2的参数方程为:
其中∠A1OmA2为可设计变量。
左侧阳转子型线的圆弧包络线段A2A3与圆弧段B2B3相啮合,其参数方程可表示为:
带入圆弧段B2B3的参数方程:
可得,
其中,α与θ的关系可由啮合定理推出,表示为:
其中,参数
的几何含义为圆弧段B2B3的半径,为可设计变量。参数可由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出。左侧阳转子型线的圆弧段A3A4的参数方程为:
其中,参数
的几何含义为圆弧段A3A4的半径,为可设计变量。参数可由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出。左侧阳转子型线的圆弧段A4A5的参数方程为:
其中,参数
的几何含义为圆弧段A4A5的半径,为可设计变量。参数可由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出。左侧阳转子型线的圆弧包络线段A5A6与圆弧段B5B6相啮合,其参数方程可表示为:
带入圆弧段B5B6的参数方程:
可得,
其中,α与θ的关系可由啮合定理推出,表示为:
其中,参数的几何含义为圆弧段B5B6的半径,为可设计变量。参数
可由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出。左侧阳转子型线的齿根圆弧段A6A7的参数方程为:
其中
其中∠A1OmA6,∠A7OmA10可在其他曲线段求解完毕后给出。左侧阳转子型线的圆弧包络线段A7A8与圆弧段B7B8相啮合,其参数方程可表示为:
带入圆弧段B7B8的参数方程:
可得,
其中,α与θ的关系可由啮合定理推出,表示为:
其中,参数
的几何含义为圆弧段B7B8的半径,为可设计变量。参数可由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出。左侧阳转子型线的圆弧段A8A9的参数方程为:
其中,参数
的几何含义为圆弧段A8A9的半径,为可设计变量。参数可由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出。左侧阳转子型线的点啮合外摆线段A9A10与点B10相啮合,其参数方程为:
其中,
参数可由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出。本发明左侧阳转子型线A1A2A3A4A5A6A7A8A9的相邻曲线段交点处连续且斜率连续。
阳转子型线的齿顶圆半径为rm,右侧阴转子型线齿顶圆弧段B1B2的参数方程为:
其中
右侧阴转子型线的圆弧段B2B3与圆弧包络线段A2A3相啮合,其参数方程可表示为:
其中参数
的几何含义为圆弧段B2B3的半径,为可设计变量。参数可由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出。上述方程中的参数与圆弧包络线段A2A3的同名参数为同一参数。右侧阴转子型线的圆弧包络线段B3B4与圆弧段A3A4相啮合,其参数方程可表示为:
带入圆弧弧段A3A4的参数方程:
可得,
其中,α与θ的关系可由啮合定理推出,表示为:
其中参数的几何含义为圆弧段A3A4的半径,为可设计变量。参数
可由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出。上述方程中的参数与圆弧段A3A4的同名参数为同一参数。右侧阴转子型线的圆弧包络线段B4B5与圆弧段A4A5相啮合,其参数方程可表示为:
带入圆弧段A4A5的参数方程:
可得,
其中,α与θ的关系可由啮合定理推出,表示为:
其中参数
的几何含义为圆弧段A4A5的半径,为可设计变量。参数可由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出。上述方程中的参数与圆弧段A4A5的同名参数为同一参数。右侧阴转子型线的圆弧段B5B6的参数方程为:
其中参数的几何含义为圆弧段B5B6的半径,为可设计变量。参数
可由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出。上述方程中的参数与圆弧包络线段A5A6的同名参数为同一参数。右侧阴转子型线的齿顶圆弧段B6B7的参数方程为:
其中
右侧阴转子型线的圆弧段B7B8与圆弧包络线段A7A8相啮合,其参数方程可表示为:
其中参数
的几何含义为圆弧段B7B8的半径,为可设计变量。参数可由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出。上述方程中的参数与圆弧包络线段A7A8的同名参数为同一参数。右侧阴转子型线的圆弧包络线段B8B9与圆弧段A8A9相啮合,其参数方程可表示为:
带入圆弧弧段A8A9的参数方程:
可得,
其中,α与θ的关系可由啮合定理推出,表示为:
其中参数
的几何含义为圆弧段A8A9的半径,为可设计变量。参数可由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出。上述方程中的参数与圆弧段A8A9的同名参数为同一参数。
右侧阴转子型线的点啮合摆线段B9B10与点A9相啮合,其参数方程可表示为:
其中参数
参数可由求取完所有曲线段后,利用相邻曲线段交点处连续且斜率连续这一几何条件求出。上述方程中的参数与圆弧段B8B9的同名参数为同一参数。本发明右侧阴转子型线B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10的相邻曲线段交点处连续且斜率连续。
本发明双螺杆转子型线的单齿齿形独立参数有中心距c,阳转子齿数n1,阴转子齿数n2,阳转子齿顶圆半径rm,阴转子齿顶圆半径rf,圆弧段A3A4的半径
圆弧段A4A5的半径圆弧段B2B3的半径圆弧段B5B6的半径圆弧段A8A9的半径圆弧段B7B8的半径圆弧段A1A2对应的中心转角∠A1OmA2。双螺杆阴阳转子型线按照阴阳转子型线的齿数n1、n2分别进行重复旋转生成条上述齿形,并依次首尾连接而生成。本发明转子型线的设计过程如下:
1、由体积大小与抽气速率优选中心距c,阳转子齿数n1,阴转子齿数n2,阳转子齿顶圆半径rm,阴转子齿顶圆半径rf,齿根圆弧段A1A2的中心转角∠A1OmA2。
2、由螺杆密封性要求优选圆弧段B2B3、A3A4、A4A5、B5B6的半径
3、由螺杆受力性能要求优选圆弧段B7B8、A8A9的半径
3、利用上述优选参数进行曲线的求解。
本发明的双螺杆转子通过型线设计,可以实现传力齿与密封齿的分开设计,从而有效的提高转子的耐磨性与效率,提高双螺杆膨胀机及压缩机的综合性能。
以上所述仅仅是本发明的较佳实施例,并不用以对本发明的技术方案进行任何限制,本领域技术人员应当理解的是,在不脱离本发明精神和原则的条件下,该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换,这些修改和替换也均会落入权利要求所划定的保护范围之内。