（化工过程机械专业论文）变径基圆渐开线涡旋型线的分析.pdf

， 簟 ，i 、 r r - i r y s t u d yo ni n v o l u t eo fv a r i a b l ec i r c l er a d i ii ns c r o l lc o m p r e s s o r b e ( l i r e nc o l l e g eo fy a n s h a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n gi n t h es u b je c to fc h e m i c a lp r o c e s s i n gm a c h i n e i nt h e c o l l e g eo fp e t r o c h e m i c a le n g i n e e r i n g 0 f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y j u n e ，2 011 ， r 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：f 轫形弘 日期：冽年月i d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：( 动多筘作者签名：c ，例步铲 导师签名：翩 q 、z 日觐：瑚f 年6 日i ve 1 日期：咖，年莎月口日 一 一 ， 硕 ：学化论文 目录 摘要“i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 涡旋压缩机的发展概述l 1 2 涡旋压缩机的展望”3 1 3 涡旋压缩机的结构、工作原理及特点”3 1 3 1 涡旋压缩机的结构3 1 3 2 涡旋压缩机的工作原理4 1 3 3 涡旋压缩机的优缺点5 1 4 国内外研究现状及课题意义6 1 4 1 工作过程的热力学分析6 1 4 2 涡旋型线的研究7 1 4 4 课题意义8 1 5 课题的来源与主要研究内容”9 1 5 1 课题来源9 1 5 2 课题的主要工作及创新点9 1 6 小节一9 第2 章涡旋压缩机的型线分析”1 0 2 1 涡旋压缩机型线通用数学模型1 0 2 1 1 型线与切线方程l o 2 1 2 封闭腔面积与行程容积”1 2 2 1 3 型线长度与曲率1 4 2 2 涡旋压缩机型线通用表达式15 2 2 1 涡旋压缩机的基本特性”1 6 2 2 2 涡旋压缩机型线的约束条件1 6 2 2 3 常用简单型线的表达与对比1 8 2 2 4 组合型线型线的描述与特性2 0 2 3 小节2 4 第3 章变径基圆渐开线涡旋型线的分析2 5 3 1 变径基圆渐开线的提出”2 5 3 2 变径基圆渐开线作为涡旋型线的可行性分析2 6 3 3 变径基圆渐开线型线的特点2 8 3 4 小结”2 9 第4 章压缩腔容积计算及气体力分析3 0 4 1 压缩腔的容积计算3 0 4 2 涡旋盘上的气体力分析3 2 i 时 ， 变 争基恻渐7 r 线涡旋型线的分析 4 2 1 切向力分析3 3 4 2 2 径向力分析3 4 4 2 3 轴向力分析3 4 4 3 动涡盘自转力矩的计算3 5 4 4 小节3 6 第5 章涡旋压缩机轴的模态分析”3 7 5 1 有限元分析法3 7 5 2 曲轴三维几何模型的建立3 8 5 3 加载求解3 9 5 4 结 念4 0 结 仑4 1 参考文献4 2 致谢4 6 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文4 7 i i ， 硕i ：学f t 沦文 摘要 涡旋压缩机是一种新型容积式流体机械，是继往复压缩机、转子压缩机、螺杆压缩 机之后的又一种新型高效容积式压缩机，被公认为是技术最先进的第三代压缩机。以其 效率高、体积小、质量轻、噪音低、结构简单且运转平稳等特点，被广泛应用予空调制 冷、动力工程、交通运输等领域。 涡旋压缩机型线研究是涡旋压缩机研究的一个重要课题，它不仅涉及到性能，而且会 对加工成本造成很大的影响。本文对涡旋压缩机型线的型线方程、行程容积、型线长度 与曲率等公式进行了详细的推导，为正确设计涡旋压缩机，建立型线数学模型奠定了基 础。通过常用简单型线不同表达形式的对比，得出了其相互之间的对应关系。通过由简 单型线连接成的常用组合型线的分析，得到其容积变化率的变化特性和型线的过渡特 性。 涡旋压缩机涡旋齿型线主要类型有：圆的渐开线、线段渐开线、正多边形渐开线、 平行四边形渐开线、阿基米德螺线、变径基圆渐开线、包络型线、通用型线等。组合型 线是在同一涡旋齿上，采用多段不同类型的型线连接成的光滑型线。组合型线通常为变 壁厚型线，是以各种常用型线和通用型线为基础，以发挥不同型线的优势，它兼顾了吸 气、压缩、排气全过程，组合型线具有提高涡旋盘面积利用率、提高压缩机的排气量和 压缩比，减小涡旋齿型线的长度和宽度等优点。 本文主要对变径基圆渐开线涡旋压缩机型线进行分析，利用微分几何共轭曲面理 论，证明了变径基网渐开线作为涡旋型线的可行性，推导出利用该型线作为涡旋压缩机 型线的基本方程，讨论了该型线的基本特点，表明变径基圆渐开线作为涡旋型线的优良 特性，对该型线形成的涡旋盘进行工作腔容积计算，并进行了涡旋齿的气体力分析。 由于曲轴作为涡旋压缩机的重要部件之一，承担着动力的传递任务，因此其整个动 态工作过程的稳定性较大程度地影响着整个压缩机工作状态。本文利用a n s y s 软件建 立涡旋压缩机曲轴的三维几何模型，并对曲轴进行有限元分析，对曲轴的细节特征和约 束进行简化，用a n s y s 进行模态分析，得到发动机曲轴的前5 阶固有频率和振型向量， 找到了曲轴振动中的危险区域，进而为轴的动态设计提供理论依据。 关键词：涡旋压缩机；涡旋型线；变径基网渐开线；共轭曲面：模态分析 变径皋圆渐， 1 ：终涡旋型线的分析 a b s t r a c t a san e wv o l u m e t r i cf l u i dm a c h i n e r y ，s c r o l lc o m p r e s s o ri sr e g a r d e da sa n o t h e rn e w t y p e d i s p l a c e m e n tc o m p r e s s o ra f t e rr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r , r o t o rc o m p r e s s o ra n dh e l i c a l l o b e c o m p r e s s o r i th a sc h a r a c t e r i s t i c so fh i g he f f i c i e n c ys m a l lb u l k ，l i g h tw e i g h t ，l o wn o i s e ， s i m p l e s t r u c t u r ea n dw o r k i n g s m o o t h l ye t c ，i sw i d e l y u s e di n r e f r i g e r a t i o n a n d a i r - c o n d i t i o n i n g ，p o w e re n g i n e e r i n g ，c o m m u n i c a t i o n sa n dt r a n s p o r t a t i o ne t c s c r o l lc o m p r e s s o rp r o f i l el i n es t u d yi sa ni m p o r t a n ti s s u ei ns c r o l lc o m p r e s s o rs t u d y ；i t i n v o l v e sn o to n l yp e r f o r m a n c e ，b u ta l s os i g n i f i c a n ta f f e c t i o no nt h ep r o c e s s i n gc o s t s i nt h i s p a p e r ，p r o f i l el i n ee q u a t i o n ，s t r o k ev o l u m e ，l e n g t ho fp r o f i l el i n ea n dc u r v a t u r ew e r ed e r i v e d i n d e t a i l ，w h i c hl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rc o r r e c td e s i g no fs c r o l lc o m p r e s s o ra n dt h e e s t a b l i s h m e n to ft h ep r o f i l el i n e s m a t h e m a t i c a lm o d e l t h em u t u a lr e l a t i o n s h i pw a so b t a i n e d t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no ft h ec o m m o n l yu s e ds i m p l ep r o f i l el i n e s d i f f e r e n tf o r m so f e x p r e s s i o n t h ev a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fv o l u m e t r i cr a t ea n dt h et r a n s i t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f p r o f i l el i n e sw e r eo b t a i n e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so fc o m m o nc o m b i n a t i o np r o f i l el i n e sw h i c h w e r ec o n n e c t e db ys i m p l ep r o f i l el i n e s t h et y p e so fs c r o l lc o m p r e s s o rp r o f i l e si n c l u d e ：i n v o l u t eo fc i r c l e ，l i n ei n v o l u t e ， e q u i l a t e r a lp o l y g o ni n v o l u t e ，p a r a l l e l o g r a mi n v o l u t e ，a c h i m e d e a ns p i r a l ，v a r i a b l ec i r c l er a d i i i n v o l u t e ，e n v e l o p ep r o f i l ea n dg e n e r a lu t i l i z a t i o np r o f i l ee t c h y b r i dp r o f i l ei ss u c hap r o f i l e b a s i n go nt h es a m ev o r t e xt o o t h ，a n dd i f f e r e n tt y p e so fp r o f i l e sa r ea d o p t e dt oc o n n e c ti n t ot h e s m o o t h n e s so n e h y b r i dp r o f i l e sb a s e do ns e v e r a lo fc o m m o na n dg e n e r a lu t i l i z a t i o np r o f i l e s a r eu s u a l l yv a r i a b l ec i r c l er a d i ip r o f i l e s i no r d e rt oe x p r e s st h ea d v a n t a g eo fd i f f e r e n tt y p e s p r o f i l e s ，t h es u c t i o n ，c o m p r e s s e d ，a n de x h a u s ta r et a k e ni n t oc o n s i d e r w i t hh y b r i dp r o f i l e s ， t h ev o r t e xp l a t ea r e au t i l i z a t i o nr a t e ，d i s p l a c e m e n ta n dc o m p r e s s i o nr a t i oo fs c r o l lc o m p r e s s o r a r ei n c r e a s e d ，a n dt h el e n g t ha n dw i d t ho fv o i r t e xt o o t hp r o f i l ea r er e d u c e d v a r i a b l ec i r c l er a d i ii n v o l u t ep r o f i l e sw e r ea n a l y z e di n t h i sp a p e r ，w i t ht h et h e o r yo f d i f f e r e n t i a lg e o m e t r yc o n j u g a t ec u r v e ds u r f a c e ，t h ef e a s i b i l i t yo fv a r i a b l ec i r c l er a d i ii n v o l u t e u s i n ga ss c r o l lc o m p r e s s o rp r o f i l e sw e r ep r o v e d ，t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o f i l ew a s d i s c u s s e d ，a n dt h eb a s i ce q u a t i o n sw e r ed e d u c e da l s o i na d d i t i o n ，w o r k i n gc h a m b e rv o l u m e o fs c r o l lf o r m e dw i t hv a r i a b l ec i r c l er a d i ii n v o l u t ep r o f i l ew a sc a l c u l a t e da n dg a sf o r c e so f i i ， 、 v o r t e xt o o t hw e r ea n a l y z e d 硕i j 学化论文 k e yw o r d s ：s c r o l lc o m p r e s s o r ；s c r o l lp r o f i l e ；i n v o l u t eo fv a r i a b l ec i r c l er a d i i ； c o n j u g a t ec u r v e ds u r f a c e ；m o d a la n a l s y s 1 i i ， 硕i j 学f 证论文 第1 章绪论 涡旋压缩机是一种新型高效的容积式压缩机，主要借助于封闭容积的变化来实现气 体压缩。涡旋压缩机因具有高效率、高可靠性、低能耗、低噪音、零件数少、结构紧凑 等诸多优点而倍受重视，在制冷空调和气体压缩等领域具有广泛应用。 1 1 涡旋压缩机的发展概述 涡旋式流体机械的工作原理，最初是由法国人l e o nc r e u x 于1 9 0 5 年提出并在美国 注册专利川。在其专利中，涡圈采用圆的渐开线，动涡盘采用公转结构，涡圈端部设计 有密封材料，从现在的机器结构来看，这三项技术都被保留下来，并成为涡旋压缩机高 性能的基本保障。l e o nc r e u x 的专利之后，l n o r d i 在1 9 2 5 年提出了涡旋液泵的专利【2 】。 在其专利中，动静涡盘由两个曲柄轴驱动，两个轴用齿轮保持同步，涡线圈数为1 5 。 围绕涡旋的基本原理，人们又陆续提出了涡旋机械在其他方面的一些应用设想，并 为此做出了许多理论上的探讨和实剐m 】。但在2 0 世纪七十年代以前，有关涡旋机械的 技术并没有取得多大发展，一方面是因为没有理论上的突破，更主要的原因是加工手段、 工艺设备等条件的制约，限制了其商业化发展。直到1 9 7 5 年美国a d l 公司首次利用涡 旋式压缩机的原理，采用双轴两级压缩的结构，成功开发了排气压力为1 7 m p a 的氦气 压缩机【7 】，展现了涡旋压缩机所具有的独特优点，从而揭开了涡旋压缩机大规模工程开 发以及科学研究的序幕。 随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，特别是2 0 世纪七十年代以来世界在经 历了第一次和第二次能源危机以及温室效应，使得社会对节能和环境保护的要求日益高 涨。涡旋压缩机以其高效低噪、结构简单、运转平稳的特点满足了人们对节能和环保的 要求，得到了很大的发展。 日本在涡旋流体机械的商业开发上处于优势地位。三电公司于1 9 8 2 年率先批量生产 涡旋式汽车空调压缩机【8 】，日立公司于1 9 8 3 年首先推出柜式空调式空调涡旋压缩机9 1 。 产品覆盖了从3 h p 到5 h p 几个型号，实际应用效果良好。随后各大公司竞相开展研究 开发工作，并不断推陈出新，涡旋压缩机的制造业迅速崛起。松下电器于1 9 9 0 年开始 大规模生产小型立式空调涡旋压缩机，1 9 9 2 年又成功研究开发了分体式空调卧式涡旋压 缩机。丰田公司大批量生产涡旋式汽车空调压缩机用以装备本公司生产的轿车；东芝公 变f 争接同渐丌线涡旋掣线的分析 司把涡旋压缩机作为新干线高速火车的空调压缩机，成为新干线高技术组合的一部分。 此外一系列卧式涡旋压缩机由日立、三菱重工、大金等公司开始投入生产。除此之外， 三菱电机、东芝、三洋、三井精机、岩田涂装等公司也都批量生产涡旋压缩机。 美国是继日本之后又一个大规模生产涡旋压缩机的国家，其中考普兰公司于1 9 8 7 年 开始生产涡旋压缩机，近年来推出了一种新的数码涡旋压缩机，使空调器不必使用昂贵 的变频控制器就能实现制冷量在1 0 - - 1 0 0 范围内的无级调节，是目前世界上最大的涡 旋压缩机制造商。开利公司和特灵公司1 9 9 2 年开始生产涡旋压缩机，泰康公司1 9 9 5 年也 开始了涡旋压缩机的生产。此外，韩国的l g 电子和三星公司也批量生产涡旋式空调压 缩机。 在我国，2 0 世纪八十年代，涡旋流体机械逐渐成为研究热点。先后有甘肃工业大学、 西安交通大学、机械部通用机械研究所以及一些其它的院、所和工厂对涡旋技术进行规 模研究，并研制成功多种形式的涡旋式空调压缩机、空气压缩机、汽车空调压缩机、油 泵等产品样机，对涡旋式机械的一些主要技术问题进行了研究，并在理论研究和工程实 践上取得了相当的成果。由于各方面的原因，目前我国的商业空调涡旋压缩机生产仍以 引进为主。广州万宝压缩机股份公司引进了日立公司年产1 2 万台单元空调用全封闭涡旋 压缩机的生产线，西安大金庆安压缩机有限公司同日本大金工业株式会社合作，年产l o 万台柜式空调压缩机，考普兰公司在苏州投资建设了年产1 0 0 万台5 h p 涡旋压缩机的生产 线，日本三洋公司与大连冰山集团合作也推出了涡旋压缩机产品。 除空调领域外，涡旋机械的另一个成功应用是作为空气增压装置，比较典型的是汽 车发动机用机械增压器。德国大众公司在这方面进行了大量的探索，开发成功了著名的 g 增压器，使得发动机的功率提高了3 5 。涡旋增压装置在9 0 年代以后又被谷轮公司制 造成为医用空气动力源，效果也比较理想。这类装置的共同特点是气体流量大，但压力 比非常低，一般不超过2 。 涡旋流体机械在真空技术方面也取得了比较好的应用效果。1 9 8 7 年日本三菱电机公 司首次开发成功回转型涡旋真空泵。这种装置中，动、静涡旋盘，同时绕自身轴线回转， 这使得周向密封线即径向间隙的位置不随涡旋的运动而改变，更容易实现密封。1 9 9 0 年 以后，日立、岩田涂装等公司也相继推出了涡旋真空泵。目前，涡旋真空泵包括无油式 和油浴式两种，单级情况下，前者的真空度可达1 p a ，后者的真空度可达1 0 。2 p a ，比滑片 式真空泵所能达到的真空度提高了近1 0 倍，且油浴式涡旋真空泵在尺寸、重量、性能、 可靠性等方面都有较大的优势。 2 硕i j 学f 节论文 涡旋流体机械另一个应用领域是作为动力用空气压缩机，因为涡旋机械的压缩过程无法 外冷却且空气的绝热指数较高，一般需要进行喷油内冷却。一方面可以降低温度、润滑 表面；另一方面可以减小泄漏、提高效率。产品方面，喷油涡旋式空气压缩机主要以日 本三井精机公司为代表，无油涡旋式空气压缩机主要以日本的i w a t a 公司为代表。 1 2 涡旋压缩机的展望 涡旋压缩机具有体积小、重量轻、振动小、噪声低、绝热效率、容积效率和机械效 率高等优点。因此，与其它类型压缩机相比，涡旋压缩机具有更为广阔的发展空间。经 过短短几年的发展，涡旋压缩机在国内压缩机市场已占有相当的市场份额。随着我国加 入w t o ，国内市场将更加开放地面向世界，竞争也将更加激烈。国产涡旋压缩机如果 想占领国际市场，一定要在现有基础上加大科研和开发力度，逐步摆脱引进国外技术与 设备的状况【1 0 】。根据以上分析，提出涡旋压缩机今后发展方向： ( 1 ) 加大研发力度，拓宽应用范围和使用领域，实现产品系列化。运用新材料和新结 构对现有类型涡旋压缩机进行优化设计，研发高精度的数控加工及检验专用设备和先进 的装配工艺，从而提高涡旋压缩机的工作效率和可靠性能。 ( 2 ) 力1 1 强实验研究，建立关于涡旋压缩机理论和实验相应发展的统一体系，并在此基 础上加强对涡旋压缩机热力学、动力学研究，更完善地分析各种运行工况下的工作过程， 为设计更高效的涡旋压缩机提供一定的理论依据。 ( 3 ) 在保证性能和品质的基础上提高国产涡旋压缩机技术水平，加大生产力度，实现 批量生产，降低生产成本，这样才能在国际涡旋压缩机市场具有较强竞争力。 ( 4 ) 建立系统，包括压缩机油冷却、供油、电机等外部系统在内的模块化数学模型， 使之具有通用性；并在原有基础上强化对压缩机内部热力学特性、动力学特性的研究， 更完善地分析压缩机各种运行工况下的工作过程。 ( 5 ) 研究变转速下涡旋式压缩机性能，提高工作转速。 ( 6 ) 扩大涡旋式压缩机机型，打破涡旋压缩机在大容量上的空白。 1 3 涡旋压缩机的结构、工作原理及特点 1 3 1 涡旋压缩机的结构 涡旋压缩机的主要部件有动涡旋盘、静涡旋盘、曲轴和支架体、防自转机构、大、 变径毕圆渐丌线涡旋弘线的分析 小平衡铁等。根据电机放置位置的不同，涡旋压缩机分为外驱动式和全封闭式两种。 根据涡旋盘的运动规律，涡旋压缩机分为动静式、双公转式两种。目前动静式应用 最为普遍。 图1 1 动静式机构模型图1 2 双公转式机构模型 根据涡旋基线数量的不同，涡旋压缩机分为单涡旋齿、双涡旋齿、多涡旋齿结构。 图1 3 单涡旋齿图1 4 双涡旋齿 衫i 飞、 杉i 曳；1 y + 馁璧易 | 2 遗支j 0 图1 5 多涡旋齿 根据运动部件的润滑状况，可分为无油润滑和有油润滑涡旋压缩机。 另外，还有一些特殊结构的涡旋压缩机，如：高低间断涡旋齿结构，驱动轴承内嵌 式结构等等。 1 3 2 涡旋压缩机的工作原理 涡旋压缩机借助封闭容积变化来实现气体压缩，这一点与往复式压缩机相同。涡旋 压缩机零部件少，由动涡旋盘、静涡旋盘、防自传机构、曲轴和支架体等部件组成【l l 】。 其主要部件是两个涡旋型线参数相同、相位差1 8 0 0 、基圆中心相距尺0 ，的渐开线涡旋盘， 其一是静涡盘，而另一个是动涡盘。静涡盘固定在支架体上，曲轴带动动涡盘基圆中心 绕着静涡旋盘基圆中心做半径为氏，的圆周轨道运动【1 2 1 。为实现这一运动，需要在动涡 盘和支架体之间设置防自转机构。 装配后，两个涡旋盘之间形成了数对月牙形的封闭腔，其压缩过程如图1 8 所示 4 蕊文。多 蕊澎 一蠢 硕 ：学付论文 一 a ) 吸气b ) 开始压缩 c)压缩过程d)排气 图1 6 涡旋压缩机的工作原理 随着曲轴的转动推动动涡盘运动，最外圈一对工作腔逐渐张开，气体随之进入腔内， 进入的气体量随曲轴转角的增大而增加，进而达到最大值；随着曲轴的继续转动和开口 的逐渐关闭，工作腔的容积又有所减少；吸气腔闭合后形成一对封闭容积，完成一次吸 气过程。当主轴继续转动时，动涡盘将吸入气体自外圈向中心推移，工作腔容积减小， 与气体排气孔口相通时开始排气，并直至排气过程结束。 这样，一对工作腔完成一次吸气压缩排气过程，当最外的吸气腔形成封闭 容积开始向中心推进成为一内工作腔时，另一个新的吸气腔同时又开始形成，并开始重 复进行上述过程，如此周而复始。因此，涡旋压缩机压缩气体的过程是连续进行的，需 要曲轴转动数圈，曲轴每转一周即可完成一次吸气，一次排气。 1 3 3 涡旋压缩机的优缺点 涡旋式压缩机是目前开发出来的最新型的压缩机，它与传统压缩机相比，具有结构 新颖，体积小、重量轻，可靠性高，噪音低，能耗低，输气平稳连续，维护费用少等一 系列优异的技术性能，被行业内誉为“无需维修压缩机”和“新革命压缩机”，是5 0 h p 以下压缩机的理想机型。其优点为： ( 1 ) 多个压缩腔同时工作，相邻压缩腔之间的气体压差小，气体泄漏量少，容积效率 s 变i 夺琏州渐j i ：线涡旋型线的分析 高，可达9 0 9 8 。 ( 2 ) 驱动动涡旋盘运动的偏心轴可以高速旋转，因此，涡旋式压缩机体积小，重量轻。 ( 3 ) 动涡盘与主轴等运动件的受力变化小，整机振动小。 ( 4 ) 没有吸、排气阀，涡旋压缩机运转可靠，且特别适应于变转速运转和变频调速技 术。 ( 5 ) 轴向和径向柔性机构提高了涡旋压缩机的生产效率，而且保证轴向间隙和径向间 隙的密封效果，不因摩擦和磨损而降低，即涡旋压缩机有可靠和有效的密封性。 缺点： ( 1 ) 运动机件表面多呈曲面形状，这些曲面的加工和检验均较复杂，因此制造成本较 一 向。 ( 2 ) 高压缩比和大排气量压缩气体的需求限制了涡旋压缩机的发展。增加涡旋齿的圈 数造成涡旋盘直径的增大，整机尺、j 的增加，轴向力、径向力和倾覆力矩的增加，使机 械磨损严重，振动加剧。高转速会使动静涡旋盘相对运动的线速度增加，摩擦损耗大， 泄漏增加，效率降低。 ( 3 ) 涡旋盘的加工精度，特别是涡旋体的形位公差有很高的要求，端板平面的平面度， 端板平面与涡旋体侧壁面的垂直度，应控制在微米级，因此，需采用专门的加工方法， 加工技术和加工设备。 1 4 国内外研究现状及课题意义 分析近年来国内外发表的关于涡旋压缩机的文献，主要从以下几个方面进行了研 究： 1 4 1 工作过程的热力学分析 涡旋压缩机工作过程的数学模拟是研究压缩机工作特性的主要方法和必备手段，热 力学特性的研究主要集中在工质的泄漏和传热两个方面。文献 1 7 1 采用可视化技术对滚 动活塞式制冷压缩机的径向间隙泄漏进行了观察，发现泄漏并不同于以往的假设，它是 润滑油的泄漏造成制冷剂从油中逸出的间接泄漏；文献 1 8 】假设压缩机的各泄漏通道只 存在油的单相泄漏，并采用平板间平行间隙流动模型计算压缩机的周向和径向泄漏量； 文献 1 9 】模拟工作腔内的轴向和径向间隙的泄漏工作条件，对腔内气体的泄漏状态进行 实测，结果表明工作腔内制冷剂的泄漏过程和不可压缩粘性流体的完全紊流模型相吻 6 硕1 j 学f 节论文 合：文献【2 0 】对各泄漏通道内介质的流态进行了分析，提出了确定泄漏间隙内的流态判 别准则，并对不同流态下介质的泄漏量进行了计算。目前通过径向间隙的周向泄漏模型 主要有：流体流过狭窄通道泄漏模型、流体流过理想喷管泄漏模型、可压缩流体流过理 想喷管有限流动泄漏模型和可压缩流体流过狭长管道的有摩擦流动泄漏模型( f a n n o s f l o w ) ；通过轴向间隙的径向泄漏模型主要有：流经平板间的平行流动模型；流经半圆 环和平板间的流动模型和流经渐开线环和平板问的流动模型。 文献 2 1 】同时考虑了热传导和对流换热，并计算了工质的传热量，其中吸、排气管 中的对流换热系数按管内紊流准则式计算，工作腔内则采用j r 方程；文献 1 9 1 在传热模 型中考虑了气体和金属、金属和金属、金属和大气以及气体和润滑油之间的热交换，但 没有说明采用的方法和具体的计算公式；文献 2 2 】认为涡旋盘和周围工质之间的对流换 热系数非常大，工作腔壁面的温度等于工作介质温度；此外，还有许多文献研究了涡旋 压缩机热力学特性的模拟1 2 3 - 3 2 】。 1 4 2 涡旋型线的研究 涡旋压缩机属容积式压缩机3 3 。5 1 ，由于容积式压缩机的热力过程主要足通过容积的 变化来实现的而容积的大小又取决于动、静盘的型线类型和参数，所以型线设计是涡旋 压缩机设计的一个最基本，也是较重要的问题。 1 4 2 1 单一型线研究的现状 所谓单一型线，主要指基圆渐开线、正多边形渐开线、线段渐开线、半圆渐开线、 阿基米德螺旋线、代数螺旋线、变径基园渐开线、包络型线等型线，目前采用正向分析 的过程模拟及实测等方法对这些型线的几何特性、力学特性、热力学特性、功耗影响等 方面的问题进行了详细的研究，其主要目的是评判型线的优劣，划定型线的适用范围， 例如基圆渐开线就具有面积利用系数高、泄漏线长度短、有效容积比高的几何特性，主 轴力矩变化平稳的力学特性、压缩腔压力曲线平缓、泄漏量小的热力学特性等，因而被 广泛采用。 1 4 2 2 修正型线研究的现状 尽管单一型线有一系列优点，但是在许多场合，却伴有不能兼顾压缩、排气、加工 的不足，如当出现型线始端的加工干涉时，将出现排气角与内压比不能随意改变，型线 始端形成尖角，刚性降低，让刀严重，形成余隙容积等不利因素，为此产生了修正型线， 变狰基硼渐丌线涡旋型线的分析 以改善单一型线的缺憾。 在修正型线方面，主要研究了直接截断修正、双圆弧修正【3 6 羽】，圆弧直线圆弧修 正1 4 0 4 2 1 、多段圆弧修正【4 3 1 、二次曲线修正、三角函数类修正】等修正型线，研究了这些 修正型线对加工特性、热力学特性、机械特性的影响，以便在型线设计时采取相应的修 正措施，例如圆弧直线圆弧修正型线，就具有增加型线的强度及刚度，保证排气角， 减少轴向气体力，减少余隙，降低噪音，增大排气孔口面积，提高了内压比，改善切削 受力特性，易于加工和保证加工精度的特性。 1 4 2 3 组合型线研究的现状 为同时发挥不同类型型线的优势，近年来出现了组合型线，即在同一涡圈上采用多 段不同类型的型线连接为光滑型线。与修正型线相比，它是修正型线的拓展，修正型线 则为它的特例，它可兼顾吸气、压缩、排气全过程；与单一型线相比，组合型线以各种常 用典型型线和通用型线为基础，是常用型线的综合运用。 目前所见的组合型线主要有基圆渐开线圆弧基圆渐开线组合型线【l l 】和基圆渐开线 i i i 型型线基圆渐开线的组合型线 4 5 - 4 7 】，按常规的分析方法对其进行研究，发现这类型 线具有提高面积利用系数，增加行程容积，提高排气量和压缩比，缩短型线长度和圈数， 减少加工工时、减少泄漏线长度，缩短压缩过程、减少气体停留时间，增大气体轴向泄 漏的阻力等优势。但也有增加工作腔之间压差，少量增加气体力和扭矩及其波动量，减 少热交换作用，加工和测量不方便等不足。 组合曲线的意义不仪在于以上优点，而且在于它提出了通用型线的概念，提出了采 用法向分量和切向分量表达型线的方法，不但便于表达常用的典型型线，而且易于扩展 出新型的型线和建立便于优化的通用数学模型。 1 4 4 课题意义 涡旋压缩机是一种新型的容积式压缩机，具有结构紧凑、重量轻、可靠性强、噪声低、 振动小、效率高等特点。涡旋压缩机中气体的压缩足通过动静涡旋相互啮合形成封闭容 积的变化来实现的，容积的大小取决于构成涡盘型线的类型和参数，不同的型线类型直接 影响着压缩机的几何尺寸、动力学、热力学、功耗、效率等关键参数和加工性能、磨损、 寿命、噪声等重要技术指标。 本文主要对变径基圆渐开线涡旋压缩机型线进行分析，利用微分几何共轭曲面理 论，证明了变径基圆渐开线作为涡旋型线的可行性，讨论了该型线的基本特点，推导出 r 硕j j 学f 节论文 利用该型线作为涡旋压缩机型线的基本方程，对该型线形成的涡旋盘进行工作腔容积计 算，并进行了涡旋齿的气体力分析。表明变径基圆渐开线型线受力及结构均优于圆渐开 线，有很好的应用前景，同时为涡旋压缩机的设计提供了一种新方法。 1 5 课题的来源与主要研究内容 1 5 1 课题来源 本课题属国家自然科学基金面上项目 1 5 2 课题的主要工作及创新点 主要工作： ( 1 ) 提出变径基圆渐开线的参数方程。 ( 2 ) 利用微分几何共轭曲面理论，证明了变径基圆渐开线作为涡旋压缩机型线的可行 性。 ( 3 ) 建立了变径基网渐开线型线的几何理论，分析讨论了该型线的基本特点。 ： ( 4 ) 对该型线形成的涡旋盘进行工作腔容积计算，并进行了涡旋齿的气体力分析。 ( 5 ) 对涡旋压缩机曲轴进行了模态分析，确定出曲轴在转动时最容易出现失效的位置 分布。 主要创新点： 利用变径基圆渐开线构造涡旋压缩机的涡旋齿，而不通过采用组合型线的方式提高 了压缩机的性能，为涡旋压缩机的研究提供了一种新的方法。 1 6 小节 本章主要介绍了涡旋压缩机的发展历史、发展趋势；涡旋压缩机的结构、工作原理、 及优缺点；国内外涡旋压缩机研究现状及课题的来源、意义；以及课题的主要内容及创 新点。 9 变径摹阅渐j r 线涡旋型线的分析 第2 章涡旋压缩机的型线分析 2 1 涡旋压缩机型线通用数学模型 通用型线是1 9 9 2 年由j w b u s h 首先提出的一种型线，其最大的特点是提出了一种型 线的特殊表达方式，它利用任意光滑型线都可沿其切向和法向分解的属性，于是采用其 分解后的切向和法向分量来描述型线，这种表达方式便于将型线表示为通用的统一形 式，易于扩展出新型的型线和建立便于优化的通用数学模型。 2 1 1 型线与切线方程 文献 4 8 】， 5 1 提出了一种求取型线方程的方法，即先从引入节线( 当动静盘各自型 线中心重合时，相应的啮合型线的中分线) ，然后通过节线沿其法向在内外侧平移尺以 获得动静盘对应的啮合点，亦即相应的型线方程，而事实上，从节线方程入手，仪是使 所推方程获得一种对称结构而已，完全也可通过任一条型线方程，沿其法向平移r o ，来获 得另一条与之共扼的型线方程，根据j w b u s h 所提出的采用法向和切向分量来表示型线 的方法，不妨设动盘外侧型线方程为( 如图2 1 ) o t x i 图2 1 型线的向量表示 耻m 小钟 o ( 咖小+ 詈 ( 2 ) 式巾如，。( 驴) 一等，。( 伊) 为动盘外型线的法向和切向分量；缈为型线上任一点的 法向角；缈+ 三为型线上任一点切线的方向角；r d ，为动盘的回转半径。 i 0 颁 j 学化论文 由共轭条件中的接触条件和动盘公转平动的运动特性，经坐标变换后可得静盘内侧 型线方程 ，= 一p 叩+ l 0 2 = 叩+ 咒，e j ( 2 1 r - 0 )( 2 2 ) 式中秒为动盘回转角。 根据有关切线的求解方法，其切线方程为 孔：i d p o , o + j r o r e j m 卅雯：l + j r o r e j 似) z d o ( 2 3 ) d够d够dp 因动盘外侧型线法线的方向向量为e j q o 且动盘外侧型线的法线向量与切线向量垂直，即于叩p ，妒= 0 而 纱巩e j 矿j r 。，e a 2 x _ o ) d d y o 嘶p 舢三筹杪 吨筹c o s ( 2 x - o + 三一妒) 聃r r e j ( 2 x - 口) = n m 小钟9 + 尽印，。( 妒) p ，( 妒+ 量) + r ，p ，妒：比，。( 妒) + 譬1p ，矿+ 尽妒，。( 妒) 二，( 妒+ ；) 2 5 黜嗍动盘内型线方程瓶= 咖钟m ，( 咖帜) 变径雏阅渐j i ：线涡旋掣线的分析 则静盘外型线方程为加= r e 刷一鲁p + m p 小+ 纠 以上方程，只是动静盘啮合状态下的型线方程，当要表示型线在各自正视图下的方 程时，动盘还需进行关于y 轴对称的坐标变换，于是所得方程可表示为： 聃e e , o 川+ 钟“川p 小中匐 ( 2 6 ) 玷e r s o 川一譬p 叫+ m p ) ( 2 7 ) 式中“，加为静盘内、外侧型线方程；一p 吖，一p 叩为动盘内、外侧型线方程； 如，。( 伊) + 冬，r g o ，( 妒) 为动盘内型线的法向和切向分量。 根据以上节线的定义，节线方程为 一p j o , o = 吾( - ，+ - 叩) 我，o + 譬也广譬 厶 ，、二 二 ( 2 8 ) = & ，。( 缈) e ，矿+ ，。( 妒) e j l 计鸶j 址互1 ( p s o + p o , ) 一f ，, o r o e 也一 ( 2 9 ) = r s o ，( 缈) p ，r g o ，( r p ) e j j 扣，。为动盘外型线与静盘内型线共用的节线；尼，为动盘内型线与静盘外型线共用 2 1 2 封