一种应用于水蒸气双螺杆压缩机的转子齿形及其形成方法与流程

1.本发明涉及能源与动力技术领域，具体涉及一种应用于水蒸气双螺杆压缩机的转子齿形。


背景技术：

2.随着制冷剂替代进程的推进，环保制冷工质水在热泵领域的应用持续受到关注。水蒸气压缩制冷循环或热泵循环，无论是开式系统还是闭式系统，都需要对水蒸气进行加压。容积式压缩机是水蒸气压缩的一个重要方式，而双螺杆压缩机由于其结构简单、耐液击、适应性好等优势，在水蒸气压缩中也发挥着重要作用。
3.水蒸气压缩过程要求容积腔中严格无油，压缩过程较大的温差需要压缩机设置合理间隙。与此同时，压缩机排气压力较高导致压缩机泄漏严重，从而使得水蒸气压缩机运行过程容积效率较低。
4.此外，双螺杆压缩机是通过其内的阳转子与阴转子等螺旋转子相互啮合转动以决定进气或进料压力与出气压力，而螺杆转子齿形的发展是推动双螺杆压缩机改善性能，拓宽应用领域的主要动力。转子型线一般由多段齿曲线首尾连接而成。现代转子齿形的设计大多避免采用点、直线和摆线，而采用圆弧、椭圆等二次曲线及其包络线，使转子实现曲面对曲面的密封，在不同工况下采用不同的阴阳转子齿数比。现有的压缩机转子齿形的发明目的大多是以不同的齿形以提高转子加工的方便性，并同时克服螺旋转子在啮转过程中可能产生的机械损失。但要同时实现这两个目的，往往困难重重。
5.例如，公开号为“cn205823636u”且标题为“高温螺杆蒸汽压缩机转子型线”的中国实用新型专利披露了一种高温螺杆蒸汽压缩机转子型线，包括：阳转子和阴转子，所述阳转子的和阴转子的型线的组成齿曲线均为二次曲线；所述阳转子的齿数为5，阴转子的齿数为7；所述阳转子齿顶圆直径为205mm，所述阴转子齿顶圆直径为192mm，阳转子齿根圆直径为128mm，阴转子齿根圆直径为115mm，阳转子节圆直径为133mm，阴转子节圆直径为187mm。但是，该转子型线的不足之处在于阴阳转子的外径比较接近，但还是不完全相等。对于加工来说还是不能实现壳体加工刀具共用。另外，该专利的阴转子齿宽很薄，在加工过程中易于变形，工艺稳定性差，不易大批量生产制造。
6.为此，针对水蒸气压缩机工作过程中出现的问题，本领域持续需要开发一种泄漏少、容积效率高且易于加工的螺杆转子齿形。


技术实现要素：

7.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种新的螺杆压缩机转子齿形，使用该齿形的螺杆压缩机具有较高的容积效率，较低的泄露，易于加工，可用于提升水蒸气制冷或热泵系统的性能。
8.为了实现本发明之目的，本技术提供以下技术方案。
9.在第一方面中，本技术提供一种应用于水蒸气双螺杆压缩机的转子齿形，该转子
包括阳转子和阴转子，当该阳转子和该阴转子分别绕其轴转动时，该阳转子的齿形和该阴转子的齿形相互啮合，其特征在于，所述阴转子和所述阳转子的齿数比为7/5；
10.其中，所述阳转子的齿形由抛物线、第一圆弧、第二圆弧以及第一圆弧共轭曲线光滑连接而成；
11.其中，所述阴转子的齿形由抛物共轭曲线、第二圆弧共轭曲线、第三圆弧共轭曲线以及第三圆弧光滑连接而成。
12.在第一方面的一种实施方式中，所述阳转子的齿形由抛物线a1b1、第一圆弧b1c1、第二圆弧a1d1、第一圆弧共轭曲线c1d1组成；
13.其中各组成曲线的方程式为：
[0014][0015][0016]
在上述方程式中，t表示取值的角度范围，是一个能通过t求解得到的中间变量，各线段的t不同。
[0017]
在该实施方式中，坐标系如下：原点为阴转子的旋转轴心，x轴为穿过该圆心的水平直线，y轴为垂直于x轴且穿过圆心的直线。
[0018]
在第一方面的一种实施方式中，所述阴转子的齿形由抛物共轭曲线a2b2、第二圆弧共轭曲线b2c2、第三圆弧共轭曲线a2d2以及第三圆弧c2d2组成；
[0019]
其中各组成曲线的方程式为：
[0020][0021][0022]
在上述方程式中，t表示取值的角度范围，是一个能通过t求解得到的中间变量，各线段的t不同。
[0023]
在该实施方式中，坐标系如下：原点为阴转子的旋转轴心，x轴为穿过该圆心的水平直线，y轴为垂直于x轴且穿过圆心的直线。
[0024]
在第一方面的一种实施方式中，所述阴转子的齿顶圆直径与所述阳转子的齿顶圆直径相等。
[0025]
在第一方面的一种实施方式中，所述阴转子的齿高系数与所述阳转子的齿高系数
相等，且所述阴转子的轴径与所述阳转子的轴径相同。
[0026]
在第一方面的一种实施方式中，所述阳转子和阴转子的齿根圆直径为所述阳转子和所述阴转子的轴间距的0.7-0.8倍，所述阳转子和所述阴转子的节圆为所述阳转子和所述阴转子的轴间距的1.1-1.2倍，且所述阳转子和所述阴转子的齿顶圆直径为所述阳转子和所述阴转子的轴间距的1.23-1.28倍。
[0027]
在第一方面的一种实施方式中，所述阳转子的抛物线部分与所述阴转子之间是线接触的。
[0028]
在第一方面的一种实施方式中，所述水蒸气双螺杆压缩机为喷水式无油螺杆压缩机。
[0029]
在第二方面中，一种形成如第一方面所述的应用于水蒸气双螺杆压缩机的转子齿形的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
[0030]
形成a1b1，a1b1是抛物线，其顶点在阳转子齿形顶圆上，抛物线的开口向左，焦点p位于x轴上，焦点p到顶点的距离约为0.05倍中心距，a1是位于齿顶圆上；
[0031]
形成a2b2，a2b2是a1b1的共轭曲线；
[0032]
形成b1c1，b1c1是一段圆弧，中心o3位于阳转子节圆上，半径为r2＝0.08a，与a1b1相切，其中c1点位于齿底圆上；
[0033]
形成b2c2，b2c2是a2b2的共轭曲线；
[0034]
形成a1d1，a1d1是一段圆弧，中心o4位于x轴上，半径为r3，a1d1与a1b1和c1d1相切；
[0035]
形成a2d2，a2d2是a1b1的共轭曲线；
[0036]
形成c2d2，c2d2是一段圆弧，中心为o5，与a2d2、b2c2相切，半径r4＝2～2.5a；
[0037]
形成c1d1，c1d1是c2d2的共轭曲线。
[0038]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于在本文所述的新的转子齿形中，阳转子的齿形由特定的所述阳转子的齿形由抛物线、第一圆弧、第二圆弧以及第一圆弧共轭曲线光滑连接而成，且所述阴转子的齿形由特定的抛物共轭曲线、第二圆弧共轭曲线、第三圆弧共轭曲线以及第三圆弧光滑连接而成。阳转子与阴转子是线接触，从而使得与现有的双螺杆压缩机相比，泄漏减少5％，容积效率提高2％-4％。
附图说明
[0039]
图1显示根据本发明的一种实施方式的转子齿形示意图。
具体实施方式
[0040]
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。以下将结合附图描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本发明的保护范围之内。
[0041]
自然工质的使用是目前制冷行业的重要研究方向，氨、二氧化碳、水等工质是目前
研究的重点。水及水蒸气的使用，可以应用于制冷系统或热泵系统，提供空调用水或加热用120℃以上热水，具有重要的科研与应用价值。
[0042]
水蒸气使用过程中，需要对水蒸气进行加压，使其满足循环要求。水蒸气加压过程存在以下特点：需严格无油保证工质的洁净，轴承侧与压缩腔需严格分离，需要安装轴封装置；水蒸气压缩过程，入口压力较低，具有一定的真空度，传统的压缩机阴阳转子齿数较少，压缩机泄漏严重；传统齿形的阴阳转子接触线之间的泄漏较大，压缩机性能较差；压缩机阴阳转子节圆直径及轴径尺寸存在较大差异，导致转子加工、转子轴封、机壳加工存在困难，加工成本高。
[0043]
为了解决上述技术问题，在一种实施方式中，本技术提供一种应用于水蒸气双螺杆压缩机的新转子齿形。该转子可包括阳转子和阴转子，当该阳转子和该阴转子分别绕其轴转动时，该阳转子的齿形和该阴转子的齿形相互啮合。在一种实施方式中，所述阴转子和所述阳转子的齿数比为7/5。在一种实施方式中，所述阳转子的齿形由抛物线、第一圆弧、第二圆弧以及第一圆弧共轭曲线光滑连接而成。在一种实施方式中，所述阴转子的齿形由抛物共轭曲线、第二圆弧共轭曲线、第三圆弧共轭曲线以及第三圆弧光滑连接而成。
[0044]
参考图1，在一种具体实施方式中，所述阳转子的齿形由抛物线a1b1、第一圆弧b1c1、第二圆弧a1d1、第一圆弧共轭曲线c1d1组成；
[0045]
其中各组成曲线的方程式为：
[0046][0047][0048]
在上述方程式中，t表示取值的角度范围，是一个能通过t求解得到的中间变量，各线段的t不同。
[0049]
在该实施方式中，坐标系如下：原点为阳转子的旋转轴心o1，x轴为穿过该圆心的
水平直线，y轴为垂直于x轴且穿过圆心的直线
[0050]
仍然参考图1，在一种具体实施方式中，所述阴转子的齿形由抛物共轭曲线a2b2、第二圆弧共轭曲线b2c2、第三圆弧共轭曲线a2d2以及第三圆弧c2d2组成；
[0051]
其中各组成曲线的方程式为：
[0052][0053][0054]
在上述方程式中，t表示取值的角度范围，是一个能通过t求解得到的中间变量，各线段的t不同。
[0055]
在该实施方式中，坐标系如下：原点为阴转子的旋转轴心o2，x轴为穿过该圆心的水平直线，y轴为垂直于x轴且穿过圆心的直线。
[0056]
在一种具体实施方式中，阴阳转子具有相同的节圆半径和齿高系数，压缩机机壳加工刀具可以共用。阴阳转子具有相同的轴径，阴转子与阳转子的密封件可以共用，降低产品制造成本。在该齿形中，阴阳转子的齿数比为7/5，较多的齿槽可保证相邻齿槽间的压差较小，泄漏较小，水蒸气压缩机密封效果提高。阳转子侧a1b1段曲线为抛物线，与阴转子接触时为线接触，可承受相邻压缩腔之间较大的压差，降低通过接触线之间的泄漏，增加压缩机的增压效率。
[0057]
在一种实施方式中，所述阳转子和阴转子的齿根圆直径为所述阳转子和所述阴转子的轴间距的0.7-0.8倍，例如为0.71、0.72、0.73、0.74、0.75、0.76、0.77、0.78、0.79或者0.8倍。
[0058]
在一种具体实施方式中，所述阳转子和所述阴转子的节圆为所述阳转子和所述阴转子的轴间距的1.1-1.2倍，例如为1.11、1.12、1.13、1.14、1.15、1.16、1.17、1.18、1.19、或者1.20倍。
[0059]
在一种具体实施方式中，所述阳转子和所述阴转子的齿顶圆直径为所述阳转子和所述阴转子的轴间距的1.23-1.28倍，例如为1.23、1.24、1.25、1.26、1.27、或者1.28倍。
[0060]
在一种具体实施方式中，参考图1，所述阳转子和阴转子的齿根圆直径为所述阳转子和所述阴转子的轴间距a的0.75倍，所述阳转子和所述阴转子的节圆为所述阳转子和所述阴转子的轴间距a的1.17倍，且所述阳转子和所述阴转子的齿顶圆直径为所述阳转子和所述阴转子的轴间距a的1.25倍。
[0061]
此外，在转子工作过程中，阳转子和阴转子之间的最大间隙为0.2mm，最小间隙为0.1mm。
[0062]
在第二方面中，本技术提供一种应用于水蒸气双螺杆压缩机的转子齿形的方法。参考图1，本文所述阳转子和阴转子的齿形分别如下所述。在该实施方式中，阳转子和阴转子之间的转子中心距为a。阳转子顶圆直径和阴转子顶圆直径均为1.25a。阳转子节圆直径为0.83a。阴转子节圆直径为1.17a。阳转子底圆直径和阴转子底圆直径均为0.75a。
[0063]
a1b1是抛物线，其顶点在阳转子齿形顶圆(1.25a)上，抛物线的开口向左，焦点p位于x轴上，焦点p到顶点的距离约为0.05倍中心距，a1是位于齿顶圆上。
[0064]
a2b2是a1b1的共轭曲线。
[0065]
b1c1是一段圆弧，中心o3位于阳转子节圆上，半径为r2＝0.08a，与a1b1相切，其中c1点位于齿底圆上。
[0066]
b2c2是a2b2的共轭曲线。
[0067]
a1d1是一段圆弧，中心o4位于x轴上，半径为r3，a1d1与a1b1和c1d1相切。
[0068]
a2d2是a1b1的共轭曲线。
[0069]
c2d2是一段圆弧，中心为o5，与a2d2、b2c2相切，半径r4＝2～2.5a。
[0070]
c1d1是c2d2的共轭曲线。
[0071]
在本文中，阳转子a1b1段为抛物线段，抛物线段的啮合是线接触，用于增加载荷在齿宽上面分布的均匀性，提高弯曲强度。b1c1为圆弧线段，用于实现a1b1与c1d1之间的过渡。a1d1为齿顶圆弧，与a2d2啮合起到密封作用。d1c1为阴转子d2c2圆弧的共轭曲线，起密
封作用。在本文中，a2b2线段为抛物线共轭线段。b2c2为圆弧线段，用于实现a2b2与c2d2之间的过渡。a2d2为阳转子a1d1圆弧共轭曲线，起到密封作用。d2c2为阴转子靠近齿顶位置圆弧，与d1c1啮合起密封作用。
[0072]
上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本技术。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本技术不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本技术披露的内容，在不脱离本技术范围和精神的情况下做出的改进和修改都本技术的范围之内。