專利名稱：一種渦旋機(jī)械渦圈型線設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械設(shè)計(jì)與加工領(lǐng)域，特別涉及一種渦旋機(jī)械渦圈型線設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
渦旋機(jī)械作為一種新型的回轉(zhuǎn)式機(jī)械，具有許多獨(dú)有的特點(diǎn)。與往復(fù)式機(jī)械 相比，渦旋機(jī)械由于具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，噪音低、摩擦損失小， 機(jī)械效率高、變頻性能好等特性，己廣泛地應(yīng)用在制冷、空調(diào)及熱泵系統(tǒng)和多
種工藝流程中，在制冷量5kW 70kW的使用范圍內(nèi)已逐漸成為主力機(jī)型。
在渦旋機(jī)械的設(shè)計(jì)過程中，渦旋盤上渦圈型線的設(shè)計(jì)往往決定機(jī)器的整體 性能。從國內(nèi)外渦圈型線的發(fā)展歷史來看，目前常用渦圈型線的構(gòu)成主要有2 類第1類是由1條解析曲線構(gòu)成，包括圓漸開線、正多邊形漸開線、代數(shù)螺 線、阿基米德螺線、三角函數(shù)曲線。第2類是由組合型線構(gòu)成。如基圓漸開線 一一般曲線一基圓漸開線組合型線和基圓漸開線一高次曲線一圓弧的組合型 線。
第1類型線渦圈壁厚為常數(shù)，所承受氣體力矩的波動較小，設(shè)計(jì)加工也較 為方便，但動靜盤面積利用率不夠充分；第2類型線最外面部分渦圈由圓弧構(gòu) 成，提高了渦盤的面積利用率，在相同的渦盤外徑尺寸的情況下，機(jī)器排氣量 較采用第1類型線的機(jī)器要大，但渦圈壁厚為變量，氣體作用力變化幅度較大， 加工測量困難，壁厚的變化還會增加傳熱過程的復(fù)雜性，導(dǎo)致較高的熱效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述渦旋機(jī)械渦圈型線設(shè)計(jì)發(fā)展?fàn)顩r，本發(fā)明的目的在于，提出一種 渦旋機(jī)械渦圈型線設(shè)計(jì)新方法，這種方法渦旋機(jī)械渦圈型線具有渦圈壁厚為常 數(shù)，所承受氣體力矩的波動小，設(shè)計(jì)加工測量較為方便，渦盤的面積利用率高， 排氣量大等特點(diǎn)，從而提高機(jī)器整體性能。
為了實(shí)現(xiàn)上述要求，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。
一種渦旋機(jī)械渦圈型線設(shè)計(jì)方法，包括若干相似型線單元，所述單元型線
掃過的曲柄轉(zhuǎn)角數(shù)值相同，各單元型線可用同一方程組表示，每一單元又由3
個(gè)曲線段構(gòu)成，具體包括下列步驟
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，渦旋機(jī)械渦圈型線包括大圓弧部分、小圓弧部分和直線部 分，各線段連接點(diǎn)必須保證相切，即一階可導(dǎo)，以保證渦圈曲線的光滑連接， 采用的方程如下 a大圓弧部分
展角—Ara]、圓心坐標(biāo)(;cb，凡)
渦圈外壁參數(shù)方程為
渦圈內(nèi)壁參數(shù)方程為
其中，rbkQ、 rbki為大圓弧部分渦圈外、內(nèi)壁曲率半徑。
b小圓弧部分
展角0e[A7z^a /r;r]、圓心坐標(biāo)(Xs，渦圈外壁參數(shù)方程為
渦圈內(nèi)壁參數(shù)方程為
A' os(—
其中，rsk。、 rski為小圓弧部分渦圈外、內(nèi)壁曲率半徑。 c直線部分
渦圈外壁參數(shù)方程為 渦圈內(nèi)壁參數(shù)方程為
其中，D為渦盤中心與渦圈最遠(yuǎn)端距離、p為回轉(zhuǎn)半徑、f為渦圈壁厚、尸,
渦圈齒端修正部分采用圓弧修正模式，其中連接圓弧參數(shù)方程為
為節(jié)距。
修正圓弧參數(shù)方程為
嶺，闊本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)方案是上述的各型線單元掃過的曲柄轉(zhuǎn)角數(shù)值為
170-190弧度范圍內(nèi)。
本發(fā)明的再一個(gè)技術(shù)方案是，上述的各型線單元從最外圈開始數(shù)的第一型 線段為圓弧段。
通過定量計(jì)算渦盤有效利用面積系數(shù)、排氣孔口面積、內(nèi)容積比等幾何特 性值，并預(yù)測渦旋機(jī)械整機(jī)性能，調(diào)整和優(yōu)化型線段組合和結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以使 所設(shè)計(jì)型線的氣體力保持連續(xù)變化；對整個(gè)渦旋型線的變形進(jìn)行分析計(jì)算，確 定嚙合間隙，進(jìn)而確定加工尺寸。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
由于在本發(fā)明的渦圈型線設(shè)計(jì)中采用了一系列新穎的方法和準(zhǔn)則，得到了 全新的渦圈型線設(shè)計(jì)結(jié)果，計(jì)算結(jié)果表明，與現(xiàn)有通用的圓漸開線型線相比， 在相同的渦盤外徑尺寸、渦圈高度及排氣孔口面積的前提下，采用本發(fā)明的渦 圈型線設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的渦圈型線能夠提高排氣量4%左右，COP提高2%左右， 并且整機(jī)性能隨轉(zhuǎn)速增加而提高，具有更好的變轉(zhuǎn)速性能優(yōu)勢，利用本方法設(shè) 計(jì)的渦旋壓縮機(jī)樣機(jī)性能達(dá)到同類產(chǎn)品國際先進(jìn)水平。


圖l為利用本發(fā)明的方法設(shè)計(jì)的型線齒端未采用修正的型線，稱為單元組合 型線。
圖2為利用本發(fā)明的方法設(shè)計(jì)的型線齒端采用修正的型線。 圖3為在渦圈齒端型線單元內(nèi)某一曲線上采用對稱圓弧修正模式。 圖4為在渦圈齒端型線單元內(nèi)另一曲線上采用對稱圓弧修正模式。
具體實(shí)施方式
為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步 的詳細(xì)描述。
本發(fā)明所采用的技術(shù)原理和方案詳細(xì)介紹如下
1. 在設(shè)計(jì)型線時(shí)，首先要根據(jù)渦旋機(jī)械渦圈型線的一般要求和實(shí)際使用模 式的特殊要求，根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)方法，先初步選定多種由不同線型組合的型線， 然后通過通過定量計(jì)算其幾何特性值和預(yù)測其性能，調(diào)整和優(yōu)化諸如線型組合 和及型線結(jié)構(gòu)參數(shù)等，最終即可獲得性能優(yōu)越的新型線。本發(fā)明在渦旋盤渦圈 型線的組合曲線比通用曲線有很大的改進(jìn)，設(shè)計(jì)中采用多段圓弧，有利于提高 型線加工精度。
2. 計(jì)算幾何特性值和初選型線結(jié)構(gòu)參數(shù)
所謂渦旋機(jī)械的幾何特性值，是指在渦圈型線計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮到 應(yīng)用工況，進(jìn)一步計(jì)算渦盤有效利用面積系數(shù)、渦圈高度節(jié)距比、渦圈壁厚節(jié) 距比、泄漏線長度、吸排氣孔口面積、內(nèi)容積比、基元容積變化規(guī)律等幾何特 性，是渦旋機(jī)械工作過程模擬和性能預(yù)測的基礎(chǔ)和前提。在設(shè)計(jì)或分析新型線 時(shí)，可通過比較型線的幾何特性值，來初步判定型線的好壞或初定型線的結(jié)構(gòu) 參數(shù)。
3. 渦旋機(jī)械整體性能預(yù)測和型線參數(shù)優(yōu)化
渦旋機(jī)械整體性能預(yù)測就是在前述幾何特性值計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用工程熱 力學(xué)、傳熱學(xué)和流體力學(xué)的知識，全面考慮渦旋機(jī)械中的各種泄漏、流動阻力 等損失，建立渦旋機(jī)械從氣體進(jìn)入氣腔到排出氣腔的整個(gè)工作過程的數(shù)學(xué)模型， 然后采用合適的算法，利用計(jì)算機(jī)來求解此模型，得到基元容積內(nèi)壓力、溫度、 質(zhì)量等隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的微觀特性和排氣量、絕熱功率及效率、指示功率及效率、軸功率及效率、容積效率等宏觀性能。從而定量比較不同型線的各種性能
指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)型線結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。
具體實(shí)施例方式
1. 理論型線確定
作為實(shí)例，圖1顯示為本發(fā)明的單元組合型線。本發(fā)明型線由若干段相似
曲線組成，每段曲線組掃過的曲柄轉(zhuǎn)角數(shù)值相同，在本例中為冗，每段曲線組在
本例中包括3部分大圓弧部分、小圓弧部分和直線部分。故相應(yīng)型線參數(shù)方
程在本例中也分別表示為以下3部分
a大圓弧部分
展角—[(AH);r' A7^a]、圓心坐標(biāo)(Xb,yb)
渦圈外壁參數(shù)方程為 b。 uos(--)+^
其中，rbk。、 rbki為大圓弧部分渦圈外、內(nèi)壁曲率半徑。 b小圓弧部分
展角^e[^ra， /r;r]、圓心坐標(biāo)(^,;;5) 渦圈外壁參數(shù)方程為
卜=Q。COS(-" + x, 渦圈內(nèi)壁參數(shù)方程為
渦圈內(nèi)壁參數(shù)方程為其中，rsk。、 ^ki為小圓弧部分渦圈外、內(nèi)壁曲率半徑。 c直線部分
渦圈外壁參數(shù)方程為 渦圈內(nèi)壁參數(shù)方程為
〖—1)*
其中，D為渦盤中心與渦圈最遠(yuǎn)端距離、/ 為回轉(zhuǎn)半徑、f為渦圈壁厚、尸t 為節(jié)距。
圖2為利用本發(fā)明的方法設(shè)計(jì)的型線齒端采用修正的型線，渦圈齒端修正 部分采用對稱圓弧修正模式如圖3、圖4所示，其中連接圓弧參數(shù)方程為
y = (--sin y + W sin <9 j(- 1)A
2. 幾何特性計(jì)算及型線結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化
通過調(diào)整渦盤中心與渦圈最遠(yuǎn)端距離ZX曲軸回轉(zhuǎn)半徑p、渦圈壁厚f、渦 圈圈數(shù)特征參數(shù)h渦圈圈數(shù)特征角a，齒高//，連接圓弧半徑n修正圓弧半
修正圓弧參數(shù)方程徑i ，來比較采用不同特征參數(shù)時(shí)的渦盤有效利用面積系數(shù)、渦圈高度節(jié)距比、 渦圈壁厚節(jié)距比、泄漏線長度、吸排氣孔口面積、內(nèi)容積比、基元容積變化規(guī) 律等幾何特性，來初步判定型線的好壞或初定型線的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
3. 氣體力計(jì)算
氣體力決定渦旋機(jī)械驅(qū)動力的大小，是所有動力計(jì)算的基礎(chǔ)，不同的渦圈 型線具有不同的氣體力計(jì)算方法，本發(fā)明渦圈型線氣體力計(jì)算方法如下
切向力，=fX(e) = |>(2W)(H)
其中#為工作腔對數(shù)，^為工作腔序號，第&為第々對工作腔垂直于氣體 力方向截面長度，P為工作腔內(nèi)壓力，W為齒高。
徑向力《(。=- &。)+丄// ( -a )
軸向力。()^A+' * 其中&為第t個(gè)工作腔的受力面積。
4. 渦圈之間及渦圈與渦盤底板之間的間隙的設(shè)定
為了補(bǔ)償加工誤差和渦盤工作時(shí)受力和受熱膨脹變形，本發(fā)明型線利用有 限元法對型線及渦盤底板的變形進(jìn)行了分析和計(jì)算，再由計(jì)算結(jié)果最終確定型 線的結(jié)構(gòu)參數(shù)。從而可以保證在渦旋機(jī)械工作時(shí)，進(jìn)一步提高整機(jī)性能和降低 噪聲。
按上述方法設(shè)計(jì)的本發(fā)明組合型線，在不改變加工工藝精度及制造成本的 前提下制造出樣機(jī)。根據(jù)GB5773 — 86《容積式制冷壓縮機(jī)性能試驗(yàn)方法》及 JB/T6915—93《汽車空調(diào)用制冷壓縮機(jī)試驗(yàn)方法》，經(jīng)樣機(jī)測試，排氣量4%左 右，COP提高2%左右，并且整機(jī)性能隨轉(zhuǎn)速增加而提高，具有更好的變轉(zhuǎn)速性能優(yōu)勢，達(dá)到同類產(chǎn)品國際先進(jìn)水平。
上述實(shí)施例只是一個(gè)具體的實(shí)例，當(dāng)然也可以用多個(gè)圓弧、圓漸開線、阿 基米德曲線、代數(shù)螺線、三角函數(shù)曲線、直線、高次曲線及其共軛曲線利用本 發(fā)明的方法構(gòu)成渦圈型線，齒端修正曲線也可以采用上述曲線來修正，各曲線 段的連接點(diǎn)保持相切，即可保證該渦圈型線光滑連接。所設(shè)計(jì)的渦旋機(jī)械渦圈 型線均能夠達(dá)到本發(fā)明的目的。
權(quán)利要求
1. 一種渦旋機(jī)械渦圈型線設(shè)計(jì)方法，包括若干相似型線單元，其特征在于，所述單元型線掃過的曲柄轉(zhuǎn)角數(shù)值相同，各單元型線可用同一方程組表示，每一單元又由3個(gè)曲線段構(gòu)成，具體包括下列步驟根據(jù)設(shè)計(jì)要求，渦旋機(jī)械渦圈型線包括大圓弧部分、小圓弧部分和直線部分，各線段連接點(diǎn)必須保證相切，即一階可導(dǎo)，以保證渦圈曲線的光滑連接，采用的方程如下a大圓弧部分展角φ∈[(k-1)π，kπ-α]、圓心坐標(biāo)(xb，yb)渦圈外壁參數(shù)方程為渦圈內(nèi)壁參數(shù)方程為其中，rbko、rbki為大圓弧部分渦圈外、內(nèi)壁曲率半徑，k為型線單元序列號；b小圓弧部分展角φ∈[kπ-α，kπ]、圓心坐標(biāo)(xs，ys)渦圈外壁參數(shù)方程為渦圈內(nèi)壁參數(shù)方程為其中，rsko、rski為小圓弧部分渦圈外、內(nèi)壁曲率半徑；c直線部分展角φ＝kπ渦圈外壁參數(shù)方程為渦圈內(nèi)壁參數(shù)方程為其中，D為渦盤中心與渦圈最遠(yuǎn)端距離、ρ為回轉(zhuǎn)半徑、t為渦圈壁厚、Pt為節(jié)距；渦圈齒端修正部分采用圓弧修正模式，其中連接圓弧參數(shù)方程為修正圓弧參數(shù)方程為
2. 如權(quán)利要求1所述的一種渦旋機(jī)械渦圈型線設(shè)計(jì)方法，其特征 在于，所述的各型線單元掃過的曲柄轉(zhuǎn)角數(shù)值為170-190弧度范圍內(nèi)。
3. 如權(quán)利要求l、 2所述的一種渦旋機(jī)械渦圈型線設(shè)計(jì)方法，其特 征在于，所述的各型線單元從最外圈開始數(shù)的第一型線段為圓弧段。
全文摘要
一種渦旋機(jī)械渦圈型線設(shè)計(jì)方法，該方法根據(jù)渦旋機(jī)械渦圈型線的設(shè)計(jì)要求，先初步選定多種由不同線型組合的型線，渦圈型線為等壁厚型線，渦圈齒端修正部分可以為變壁厚；該型線由若干相似型線單元構(gòu)成，各單元型線掃過的曲柄轉(zhuǎn)角數(shù)值相同，各單元型線可用同一方程組表示，每一單元又由若干的曲線段構(gòu)成；通過定量計(jì)算其幾何特性值，并預(yù)測其整體性能，調(diào)整和優(yōu)化諸如線型組合和及型線結(jié)構(gòu)參數(shù)等，利用有限元法對型線及渦盤底板的變形進(jìn)行了分析和計(jì)算，再由計(jì)算結(jié)果最終確定型線的結(jié)構(gòu)參數(shù)。最終即可獲得性能優(yōu)越的新型線。采用本發(fā)明的渦圈型線設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的渦圈型線能夠提高排氣量整機(jī)性能。
文檔編號F04C29/00GK101545489SQ200910083639
公開日2009年9月30日 申請日期2009年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月6日
發(fā)明者王國梁 申請人:北京科技大學(xué)