（流体机械及工程专业论文）多涡旋齿涡旋压缩机啮合型线理论研究.pdf

多涡旋齿涡旋压缩机啮合型线理论研究 摘要 涡旋压缩机作为一种新型高效的容积式压缩机，与其它类型压缩机相比具有许多不 可替代的优点，已经广泛的应用于制冷空调领域中。随着逐渐向大气量和大功率方向的 发展，采用双涡旋齿及更多齿数的多涡旋齿结构在增大排气量、减小涡旋盘外径及降低 相对滑动速度等方面的显著优势得到了越来越多的认可，然而多涡旋齿啮合型线作为多 涡旋齿涡旋压缩机的关键技术问题，所得到的研究甚少。本文以教育部高等学校博士学 科点专项科研基金项目“多条涡旋齿型线的啮合理论研究”为依托，建立了多涡旋齿啮 合型线构建的数学模型，并以此作为理论依据就单涡旋齿及任意齿数的多涡旋齿的基体 型线、型线修正方法及其几何理论等问题展开了深入的理论研究，建立了包含单涡旋齿 在内的多涡旋齿啮合型线理论体系；并设计研制了双涡旋齿涡旋压缩机。 通过提出公转中心位置模型将两动静涡旋运动关系、多涡旋齿型线生成规律和共轭 型线的判定与求解这三方面紧密的结合在一起，建立了多涡旋齿啮合型线构建的数学模 型，确定了最终啮合点的位置，得到了圆弧、圆渐开线和线段等常用型线作为单涡旋齿 和多涡旋齿啮合型线的条件，为本文多种多涡旋齿啮合型线的提出奠定了理论基础，并 为之提供了能实现正确啮合的证明。 完善了单涡旋齿双圆弧修正设计的解析法，得到了任意齿形参数及任意时刻修正涡 旋齿各工作腔容积和任意排气角下修正涡旋齿压缩比的精确计算公式；揭示了双圆弧修 正齿形的内在规律和存在条件，提出了第1 i 类双圆弧修正齿形和修正角及修正展角分别 为最小值时的极值修正齿形，完善了双圆弧型线修正理论；针对单涡旋齿双圆弧修正齿 形的固有缺点“只有一个独立的齿形参数，压缩比和齿头强度呈反向变化”，提出了综 合性能优于双圆弧修正方法的多对圆弧修正方法和圆渐开线修正方法，并建立其几何理 论。 创建了双涡旋齿能实现完全啮合的双圆弧型线修正方法，并建立其几何理论，得到 了修正型线方程、修正涡旋齿轴向投影面积和任意曲轴转角下的压缩腔容积的精确计算 公式，分析了各齿形参数对修正涡旋齿性能如压缩比和齿头强度等的影响；将双圆弧修 正方法扩展到三涡旋齿及四涡旋齿场合，得出了多涡旋齿双圆弧修正齿形的通用生成方 法和共同特点，完善了的多涡旋齿双圆弧型线修正理论。 建立了多涡旋齿的正多边形渐开线、代数螺线等7 种基体型线，确定了适用条件或 型线方程；建立了多涡旋齿的双圆弧修正、圆渐开线修正等1 0 种对称及非对称全啮合 型线修正方法，并对修正齿形进行了性能比较；提出了渐开线类型线的通用型线修正齿 形，使得型线修正的适用范围扩大到圆渐开线、正多边形渐开线等渐开线类基体型线； 捅璺 建立起了包含单涡旋齿在内的多涡旋齿啮合型线理论体系。 根据排气孔的开设原则，确定了双涡旋齿和三涡旋齿的全啮合及非全啮合涡旋齿的 排气孔理论开设区域，确定了排气孔的可用开设形状：分析了齿数不同对多涡旋齿涡旋 压缩机的排气量、压缩比和涡旋盘外径等方面的影响；从工作腔的形成规律、工作腔内 气体间的泄漏及换热、排气气速和涡旋盘所受气体力等方面分析了双涡旋齿与单涡旋齿 涡旋压缩机在工作过程中的不同特点。 利用本文所建立的多涡旋齿啮合型线理论设计研制了双涡旋齿涡旋空压机，对其性 能进行测试，验证了该理论的正确性；并利用样机进行了2 项实验研究，分别为：动涡 旋盘的轴向间隙对性能影响和定量控制气体含油量。本文所建立的多涡旋齿啮合型线理 论体系为多涡旋齿涡旋压缩机的设计奠定了坚实的理论基础。 关键词：涡旋压缩机；单涡旋齿；多涡旋齿；型线修正；啮合型线；几何理论 论文类型：应用基础 i i 博士学位论文 t h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o no f m e s h i n gp r o f i l ef o rm u l t i - w r 印s s c r o l lc o m p r e s s o r a b s t r a c t a san e we m c i e n tp o s i t i v cd i s p l a c e m e n td e v i c e ，s c m l lc o m p r e s s o r ，w h i c hh a sb e e n w i d e l yu s e d i i lt h ea r e ao fa i rc o n d i t i 0 1 l i n ga n dr e 衔g e r a t i o n ，h a sau i l i q u ea d v a n 协g e c o m p a r e dw i t ho t l l e rt y p e so fc o m p r c s s o r w i 协t h ed e v e l o p m e n to fs c m l lc o m p r e s s o rt o b i g g e rd i s p l a c e i r l e n ta n db i g g e rp o 、v e rg r a d u a l l y ，m ea d v a i l t a g e so fs c r o l lc o m p r e s s o r e m p l o y i l l g 州n - w m p so rm u l t i 一唧s ，s u c ha si n c r e a s i n gt t l ed i s p l a c e m e n ta n dr e d u c i n gt h e d i 锄e t c ro fs c m l lp l a t e ，h a v eb e e ng o t i n c r e a s i n g l ya p p r o b 撕o n h o w e v e r ，t h em e s l l i n g p m f i l eo fm l l l t i 一、v r 印s ，a st h et e c q u ek e yo fm u l t i 一、v r 印ss c m l lc o m p r e s s o r ，h a sr e c e i v e d f c wr e s e a r c h a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h ed o c t o r a t ef o u n d a t i o no fm i n i s t r yo f e d u c a t i o n ( 1 1 1 v e s n g a t i o no fp m 矗l em e s h i n gt h e o 叮f o rm u 肚、v r a p s ) ，t 1 1 em a t h e m a l j cm o d e l o fm e s 王l i r 唱p r o f i l ef o rm u l t i - w r 印si se s t a b l i s h e d ，a 1 1 dm i sm a t l l e m a t i cm o d e l i st a k e na st h e t l l e o r e t i c a lf o u n d a t i o nt o s t u d yt h ep m b l e m s s u c ha s m e s l l i n gp r o f i l e ，w m pp m f i l e m o d i f i c a t i o nm e m o d sa 1 1 dt | l e i rg e o m e t r i ct h c o r i e sf o r s i t l g l e 、 ，m pa 1 1 dm u l t i w m p s 州t l l m n d o m 、v m pn 帆b e lt h et h c o r ys y s t e mo fm e s l l i n gp r o f i l ef o rm u l t i 一、v r a p si n c l u d i n gs i i 坶l e w r a pi ss e tu p ，趾dt h et w i n - w m p ss c r o l lc o m p r e s s o ri sd e s i g n e da n dd e v e l o p e db yu s i n gt h e p m p o s e dt 1 1 e o r y t h r o u g hp r c s e m m gt 1 1 eo r b i t i l l gc e n 删p o s i t i o nm o d e l ，t h r e ea s p e c t so ft l em o v e m e m r c l a t i o n s h i p b e m e e no r b i t i n gs c m ua 1 1 df i x e ds c m l l ，g e n e m t i o nl a wo ft 、v om u l t i - w m p sa n d s o l v i n gc o n j u g a t ep m f i l ea r ec o n n e c t e dt o g e t h e rc l o s e l y ，a n dt h em a t h e m a t i cm o d e lo f m e s l l i n gp r o f i l ef o rm u h i - w r a p si se s t a b l i s h e d t h ep o s i “o no ff i n a lm e s h i i l gp o i n ti s d e t c r n 血1 e d ，a n dm ec o n d i t i o n so fc i r c u l a ra r c ，c i r c l ei i l v o l u t ea r l dl i i l cs e g m e mu s i n ga s m e s h i n gp r o f i l ef o rs i n 甜ew r a pa n dm u l t i w m p sa r eo b t a i n e d t h ep r o p o s e dm a t h e m a t i c m o d e li st a k e na st h e o r e t i c a if b u n d a t i o na n dt | l e p r o o fo fr e a i i z i n gp e r 晚c tm e s h i n g 南r f o m l i n gm 柚ym e s l l i n gp m f i l e sf o rm l l l t i - w r 印si nt i l i sp a p e l t h ea n a l y t i c a ld e s i g l lm e t l l o do f 、v r a pp m f i l em o d i f i c a t i o nu s i n g 似i n c i r c l l i a ra r c si s m a d ep e r f e c t ，d u et od e r i v em ep r e c i s ec a l c u l a t i o nf o r n l u l a so fe v e r yw o r k i n gc h 帅b e r s 、v i m m 】帕o mv a l u co fm o d i f i e dw r 印p a r 帅e t e r sa 1 1 dr a n d o mc r a j l k s h a rr o t a t i o na 工l g l e ，a n d c o m p r e s s o rr a t i ow i t l lr a n d o md i s c h a 曙ea r 培l ef o rm o d i f i e dw r a p t h el a wa i l dc o n d i t i o no f m o d i f i e dw r a pu s i n gt w m c i r c u l a ra r ci s r e v e a l e d ；t h et y p e i im o d i f i e dv 唧u s i n g t 、v i n c i r c u l a ra r c si sp m p o s e d ，a j l dt h em o d 湎e d 、v m p sw 弛e x 仃e m e1 i m i to fm o d i f i e d a p i p a r a m e t e r s w h e nm o d i f i c “o n a n g l ea 1 1 d m o d i f i c a t i o n e x p a l l d i n ga i l g l e a r em i i l i m a l r e s p e c t i v e l ya r ep r o p o s e d ，t o o t h et 、v i n c i r c u l a ra r c sp m f i l em o d i 丘c a t i o nt h e o r yi sm a d e p e r i e c t a i m i n ga tt l l ed i s a d v a n t a g eo fm o d m e dw r a pu s i n gt w i n - c i r c u l a ra r c st h a tt h e r ei s o n l yo n ei n d e p e n d e n tw r a pp 猢e t e ra 1 1 di ti sd i 珩c u l tt oi m p r o v ep r e s s u r em t i oa n dw 印 h e a ds n n g t ha ts a m et i m e ，t h e 觚ow r a pp r o f i l em o d m c a t i o nm e t l l o d su s i n gm u l t i c 硫u k a r c sa i l dc i r c l ei n v o l u t ew t l i c hc o m p r e h e f l s i v ep e r f o n l l a n c ei sh i 曲e rt h a i lp r o f i l em o d m c a t i o n m e t h o du s i n g “诎1 - c i r c u l a ra r c sa r ep r o p o s e d ，a j l dt i l e i rg e o m e t r i ct h e o r i e sa r ee s t 曲l i s h e d a p r o 脚em o d i 6 c a t i o nm e t | 1 0 du s m gt w i n - c i r c u l a ra r c sf o rt w i t l - w r a p s ，w h i c hc a nf o 皿 p e r f 音c tm e s l l i n gp m f i l e ，a sw e l la si t sg e o m e t r i ct h e o r i e s ，a r ee s t a b l i s h e d t h ee q u a t i o n so f m o d i 行c a t i o nc i r c u l a ra r c s ，a na c c u r a t ee x p r e s s i o nf o rc a l c u l a t i t l ga x i a lp r o j e c “v ea r e ao f m o d 讯e d 、v m pa sw e l la st l l ec a l c u l a t i o no fc o m p r e s s i o nc h a m b e rv 0 1 u m ei nd i 臼陪r e ma i l g u l a r p o s i t i o n so fc r a r 山s h a f ta r cg i v e n t h ei n n u e n c eo fe v e r ym o d i f i c a t i o np 啪i n c t e r so n p e r f 0 衄a n c eo fm o d m e ds c m l l 、w 印s u c ha sc o m p r e s s i o nr a t i oa 工l ds t r e i l g t h ，e t c ，i sa l s o a n a l y z e d t h ep r o f i l em o d i f i c a t i o nm e t l l o du s i n gt w i n c i r c u l a ra r ci se x p a t l d e dt o3 一w r a p sa i l d 4 一w r a p s ，a j l dt h eg e n e m lg e n e m t i o nm e m o da sw e l la sc o m m o nc h a r a c t e r i s t i c so ft l l e 似i n c i r c l l l a ra r c sm o d i f i e dm u l t i v 盯印sw i t hm n d o m 、v r a pn u l b e ra r es 煳e du p t h e p r o f i l em o d m c a t i o nm e o r yo f m u l t i - ，r a p su s i n gt 、v i n c i r c u l a ra r c si sm a d ep e r f e c t t h e7t y p e so f m e s h i n gp m f j l e ss u c ha sr e g u l a rp o l y g o ni n v o l u t e ，a r c l l i m e d e sc u r v e ，e t c ， a r eu s e da sm u l t i - 、v r a pm e s h m gp m f l l e ，趾du s a b l ec o n d i t i o no rp m f i l ee q u a t i o na r eg i v e n t h e1 0t y p eo f s y m m e t r i c 趾da s y m m e t r i cw r a pp m f i l em o d i f i c a t i o nm e t l l o d sf o rm u l “一w r a p s s u c ha su s i n gt 、v i n - c i r c u l a ra r c ，c i r c l ei 1 1 v 0 1 u t e ，e t c ，w h i c hc a nr e a l i z ep e r f e c tm e s 上l i n ga r e p r e s e n t e d ，a n dt 1 1 ep e r f b m l a n c e so fm o d 砺e dw r a pa r ec o m p a r e d t 1 1 r d u g hg i v i n gt h eg e n e r a l i n v o l u t e 勺，p ep r o n l em o d i f i e d 、v r a p ，t h ep r o f l l em o d m c a t i o ni ss u i t a b l ef o rc i r c l ei n v 0 1 u t e ， p o l y g o ni n v o l u t e ，e t c ，t h ei r o l u t et y p ep r o f i l e t h et h e o r ys y s t e mo fm e s l l i n gp r o f i l ef o r m u l t i 一、v r 印si n c l u d i n gs i n g l ew m p i se s t l b l i s h e d a c c o r d m gt ot h e1 a wo fd e s i g i l i n gd i s c h a 唱ep o r t ，t h cm a x 血a la l l o w a b l ed e s i g nr e g i o n s o fd i s c h a 耀eh o l ef o rt w i n 一啪p sa j l d3 一、v r a p sa r co b t a i n e d ，a t l dt 1 1 eu s a b l es h 印eo f d i s c h a r g e p o r ti sg i v e n t h ei r 】n u e n c e so fm u l t i - w r a p sw i t hd i 腩r e mw m p n u 工i l b e ro nd i s p l a c e m e n ta n d c o m p r e s s o rr a t i oo fs c m l lc o m p r e s s o ra r ea n a l y z e d t h ed i 丘宅r e mc h a r a c t e r i s t i c sb e t 、e e n s i n g l ew r a p 柚dt w i i l w r 印ss c m l lc o m p r e s s o ri nw o r k i n gp r o c e s sa r ea n a l y z e df r o mm a n y a s p e c t ss u c ha st l l ef o n n i n gl a wo f w o r k i n gc h a m b e r s ，t h el e a k a g ea i l dh c a te x c h a n g eb e t w e e n g a s e si i li i m e d i a t ew o r k i n gc h 锄b e r s ，t h eg a sd i s c l l a r g ev e l o c i t ya t l dt h eg a sf o r c ea c t i n go n t h es c r o l lp l a t e ，e t c a t 、v i n - w r a p ss c m l lc o m p r e s s o ri sd e s i g n e da 1 1 dd e v e l o p e db yu s i n gt h ep r o p o s e d m e s l l i n gp r o m et h e o r yo f m u l t i - w 印s ，a t l di t sp e r f l o m a j l c ei st e s t e d t 、oe x p e m e n t s ，w 1 1 i c h 博士学位论文 a r et h ei n n u e n c e so fa 五a lc l e a r a n c eo fo r b i t i n gs c r o l lo np e r f o m l a n c e s ，a n da m o u n tc o n t r o lo f l u b r i c a t i i l go i li ng a sr e s p e c t i v e l y ，w e r ec a r r i e do u t t h ea c c m c yo f t h ep m p o s e dt h e o r yi s t e s t e db ym ee x p e r i m e n ta n ds e t su pt h ef b u l l d a t i o no f t h ed e s i g l lo fm u l t i - 、v r 印ss c r o l l c o m p r e s s o r k e yw o r d s ：s c r o l lc o m p r e s s o r ；s i n g l ew r a p ；m u l t i 一唧s ；w r 印p r o 脚em o d i f i c a t i o n ；m e s h j n g p m f i l e ；g e o m 硎ct h e o r y p a p e rt y p e ：a p p l i e df i l n d a r n e n t s v 主要符台表 主要符号表 排气孔的面积，m m 2 ： 多边形的边数； 宽度，m m ； 常数； 气体力，n ； 摩擦系数； 涡旋齿齿高，m m ； 倍数； 绝热压缩指数； 、 长度，m m ； 质量，k g ； 涡旋齿圈数； 多变压缩指数： 主轴转速，r m i n ； 摩擦功耗，k w ； 涡旋齿节距，m m ； 压力，m p a ； 热量，k w ： 吸气量，流量，m 3 m i n ； 基圆半径，m m ； 多涡旋齿的特征圆半径，r n m ： 大圆弧半径，m m ； 主轴偏心距，m m ； 小圆弧半径，衄； 涡旋齿外接圆半径，m m ； 面积，m m 2 ； 渐开线涡旋齿投影面积，m m 2 ； 修正涡旋齿齿头投影面积，m m 2 压缩腔投影面积，m m 2 ； 中心腔投影面积，m m 2 ； 温度，k ； f涡旋齿齿厚，m m ；角度变量，r a d ； “速度，耐s ； y容积，衄3 ； k吸气容积，m m 3 ； k排气容积，m m 3 ； 工 横坐标，m m ； v纵坐标，m m ； z多涡旋齿的齿数； 希腊字母 口圆渐开线发生角，m d ； 口底角，r a d ； y修正角，r a d ； 占间隙，m m ； 占压缩比； 疗效率； 口 曲轴转角，r a d ； 口+ 排气角，r a d ； 型线保持啮合的主轴转角，m d ； 侥 多涡旋齿的特征角，r a d ； 圆渐开线展角，r a d ； 彩修正展角，r a d ； 众涡旋齿中心渐开线最终展角，r a d ； 。修丁f 展角的最小值，r a d ； a夹角，m d ； p密度，k g m 3 ；曲率半径，m m ； 修正涡旋齿齿头面积系数； “润滑油的粘度，p a s ： f比例系数；排气孔面积开启率； 下标 1 ，2 ，3 ，f ，胛序号。 4 b 6 c f矗矗，k，mn聆一p q g凰心凡凰瓜凰s s s r 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所里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 他个人或集体己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：王冕 日期：2 卯年g 月，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，同意学 校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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：z ”f 年z 月，日 日期：j m 6 年6 月f 日 2君弗 i 一4一，了 名名签签者师作导 博士学位论文 1 1 发展回顾 第l 章绪论 涡旋压缩机是一种容积式压缩机，主要由两涡旋盘、防自转机构和支架体等零部件 组成，其中两涡旋盘相对旋转一角度，并相对错开一距离后，对插在一起，这样两涡旋 盘上的涡旋齿实现啮合，产生了多个啮合点，形成了多组月牙形密闭的工作腔；随着主 轴的旋转，所形成的多个啮合点沿着涡旋齿齿壁由外向内连续移动，这样所形成的多组 月牙形工作腔逐渐由大变小，进而实现了气体的压缩。 涡旋压缩机是继往复活塞压缩机和螺杆压缩机之后的又一种新型高效的流体机械， 被公认为是技术最先进的第三代压缩机，与同等容量的往复式压缩机相比，主要零部件 仅为往复式的1 1 0 ，体积减小4 0 左右，噪声下降5 8 d b ，效率提高1 0 ，重量减轻 1 5 ，驱动力矩的波动幅度仅为往复式的1 ，l o 。由于涡旋压缩机的独特结构使其具有优 良的热力性能和力学性能，其主要优点如下： ( 1 ) 零件数少、无气阀等易损件；结构简单紧凑、体积小、重量轻、可靠性高； ( 2 ) 无吸排气阀；气体流动损失小、吸排气损失小、无气阀的敲击噪声和由此引起 的振动； ( 3 1 吸气过程是主动的包容运动且持续时间长；无吸气余隙、容积效率高； ( 4 ) 工作腔变化过程持续时间长：压缩平稳、排气接近连续，气流脉动小； ( 5 ) 回转半径小且旋转零件可完全平衡；旋转惯性力小、平衡性能好、振动小、运 转平稳、相对滑动速度小、磨损小、转速高； ( 6 ) 可实现径向和轴向随变；可实现径向和轴向的磨损补偿、对系统杂质和液体具 有较高的容许量，寿命长； ( 7 ) 定压缩比压缩；启动性能好、转速可在较大范围内调节且效率变化不大，变转 速特性好； ( 8 ) 多个压缩腔同时工作：转矩和驱动力矩变化幅度小： ( 9 ) 相邻压缩腔的压差小；工作腔间的密封性好，气体泄漏小。 同样涡旋压缩机也存在如下缺点： ( 1 ) 涡旋盘等重要零件的加工精度要求高，涡旋齿型线的加工难度大： ( 2 ) 整机摩擦副数量多： ( 3 ) 难以实施压缩气体的外部冷却，工作过程中的热量不易导出，因而压缩比不能 过大、适用于压缩指数较小的气体、或需对压缩腔进行喷液以进行内部冷却； ( 4 ) 变工况性能不佳； ( 5 1 难以适应大排气量和高压力比的应用场合。 第1 章绪论 虽然涡旋压缩机投入应用只有2 0 多年，但是其理论的提出却要追溯到1 9 世纪末与 2 0 世纪初，意大利人早在1 8 8 0 年就建立了涡旋的概念，法国人l e o nc r e u x 以可逆转的 涡旋膨胀机为题在1 9 0 5 年申请了美国专利；之后l n o r d i 在1 9 2 5 年申请了涡旋液体 泵的专利1 2 】；随后有关涡旋机械技术并没有取得多大的发展，其主要原因是加工手段、 工艺设备等条件的制约，直到2 0 世纪7 0 年代以来，涡旋压缩机以其高效、低噪、结构 简单和运转平稳等特点满足了人们对节能和环保的要求，使其得到了很大的发展。1 9 7 5 年美国a d l 公司首次采用双伸轴两级压缩的结构，成功开发了排气压力为1 7 m p a 的氦 气涡旋压缩机，展现其独特的优点；1 9 7 3 1 9 7 6 年间美国和瑞士先后开发了空气、氮气 及氟利昂等介质的涡旋压缩机；8 0 年代日本成功的开发了空调用涡旋压缩机，并应用于 汽车空调。 目前涡旋压缩机的研究制造主要集中在美国、日本、中国和韩国等国。日本从事涡 旋压缩机商业开发的主要生产厂家有：日立、大金、三菱电气、三菱重工、松下、三洋、 东芝、三电等十几家公司，其生产规模分别在年产2 0 万至9 0 万台。1 9 8 2 年日本三电公 司开始批量生产汽车空调涡旋压缩机，年产量达5 0 万台；日立公司于1 9 8 3 年首先推出 柜式空调涡旋压缩机，产品覆盖了从3 i p 到5 h p 等几个型号：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，又于1 9 9 2 年成功的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。美国从事涡旋压缩机生产的主要厂家有：考普兰、开瑞、泰康、特龙、t r a n e 和 t e c u r n s e h 等公司。其中考普兰公司总产量达到年产2 0 0 万台；谷轮公司于1 9 8 7 年开始 生产涡旋压缩机，现在年产量达2 5 0 万台以上，近年来又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 r v l o o 范围内的无级调 节：开瑞公司和特龙公司在1 9 9 2 年开始生产涡旋压缩机；泰康公司于1 9 9 5 年也开始了 涡旋压缩机的生产；此外韩国的l g 电子公司和三星公司也批量生产涡旋式空调压缩机。 2 0 世纪8 0 年代后期，在我国涡旋压缩机逐渐成为研究热点，先后有西安交通大学、 兰州理工大学、机械部通用机械研究所及一些其它的院、所和工厂对涡旋压缩机进行了 研究，并在理论研究和工程实践上取得了相当的成果，成功的研制了多种涡旋压缩机的 产品样机。但是由于各方面的原因，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 8 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2 0 万台柜 式空调涡旋压缩机：谷轮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，年产6 0 万台涡旋压缩机。 涡旋机械的应用范围较为广泛，作为压缩机主要应用于制冷1 3 刊和空调1 7 4 1 领域；涡 旋压缩机的适用范围逐渐扩大，从单级压缩发展到多级压缩的涡旋机组i l ”“j ，从柜式空 调器全封闭制冷压缩机1 1 2 】发展到窗式空调器的小功率涡旋压缩机【乃j ，以及汽车和列车空 调系统中的压缩机。除此之外涡旋机械的其它应用有：涡旋空压机1 5 2 2 1 、涡旋增压器 1 2 3 2 6 】、涡旋泵【2 7 9 1 、涡旋内燃机3 0 瑚】、涡旋发动机f 3 4 1 和涡旋膨胀机3 5 6 1 等。 作为增压器，比较典型的是汽车发动机用增压器 2 ”，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，但压力比低，一般不超过2 ：近年来涡旋压缩机还被应用 于天然气增压系统中【3 ”。 作为涡旋泵，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【3 跗，在这 种装置中，动静涡旋盘同时绕自身轴线回转，这使得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。 目前涡旋真空泵的真空度可达1 0 。p a ，这比滑片式真空泵所能达到的真空度提高了近1 0 倍。除作为真空泵外，还可用于涡旋液体泵1 2 7 瑚1 和涡旋输油泵等。 作为空压机，因为涡旋压缩机的压缩过程无法实施外部冷却，且空气的绝热指数较 大，一般需进行喷油内部冷却，这样一方面可以降低温度、润滑表面，另一方面也可以 减小泄漏、提高效率。涡旋空压机的品种规格较多，排气量主要集中在0 6 m 3 3 m 3 m 协 之间，主要是动力用涡旋空压机【l ”2 j ；近几年来国内也进行了车用燃料电池发动机用无 油润滑涡旋空压机的研发【4 。 1 2 国内外研究现状及存在问题 涡旋压缩机在追求高效率、高可靠性、高转速、低振动和低噪音的发展过程中，在 制冷、空调等领域内得到了迅速的发展，许多理论上的研究成果及发明专利被不断的应 用于生产实践，使得涡旋压缩机技术不断进步。纵观近二十余年涡旋机械的研究文献， 可以看到有关涡旋理论的研究主要集中在以下几个方面。 1 2 1 单涡旋齿型线 单涡旋齿型线主要有：圆渐开线、正多边形渐开线、平行四边形渐开线、半圆偏心 线、线段渐开线、阿基米德螺旋线、代数螺旋线、变径基圆渐开线、包络型线以及通用 型线等。目前对不同的涡旋齿型线采用压缩过程模拟及实测等方法对其进行几何理论、 力学特性、热力学特性及功耗影响等方面的研究，其目的在于评判型线的优劣，划定型 线的适用范围。 1 2 1 1 涡旋型线几何模型 日本学者森下悦生( e m o r i s h i 伽等首先建立了圆渐开线涡旋型线的几何理论，并推 导了动力计算公式【4 卜4 2 】；随后一系列由半圆构成的涡旋型线的几何理论由m h a y a n o 等 导出1 4 ”，并制成了样机进行了实验研究；为了减小涡旋压缩机涡旋盘的几何尺寸，有关 偏置涡旋型线的涡旋压缩机取得了美国专利f 5 l ；j 锄e sw _ b u s h 等通过采用混合基圆的 方法来改变涡旋型线的布置，获得比较小的机器体积，并研究了型线的多种组合方法 1 4 “”：k t 0 i o 利用可变直径圆的渐开线作为涡旋齿型线；h t k o h s o k a b l e 等利用代数螺 线作为涡旋齿型线【4 9 j ，在吸气容积相同时可降低涡旋齿的高度；c h e n y u 等建立了涡旋 压缩机气体压缩过程及整机的数学模型【5 l j ；刘振全、曹霞等对整数圈和非整数圈涡旋 齿的几何理论进行研究口”副；李连生利用几何方法证明偶数列正多边形渐丌线能够构成 涡旋型线，而奇数列多边形渐开线不能构成涡旋型线，建立了线段渐开线和正四边形渐 开线的几何理论1 5 4 。“，同时比较了圆渐开线、线段渐开线和正四边形渐开线作为涡旋齿 的多方面的不同【跏5 8 j ，并对排气孔排气的脉动现象进行了深入的研究【铷】；文献【6 l 6 6 】 对通用型线进行了研究；樊灵建立了较为系统的涡旋压缩机型线的通用数学模型和含间 隙机构运动学和动力学模型，通过型线自转误差灵敏度和径向间隙的几何关系，得出了 型线的自转误差灵敏度不仅和型线类型相关，而且与型线法向角和动盘自转角相关的结 论【6 “5 】；黄允东引入有效容积比，对不同类型渐开线型线的吸气容积进行比较，建立了 半圆偏心线和代数螺线作为涡旋齿型线的几何理论，并分析比较了圆渐开线、半圆偏心 线和阿基米德螺线作为涡旋齿型线的多方面的区别【1 4 6 7 j ；王国梁提出了由大圆弧、小圆 弧和线段组成的新型涡旋齿型线，并对该型线进行了几何理论研究和齿头圆弧修正，与 圆渐开线型线进行比较，该型线具有较大的吸气容积和较小的内容积比等优点【6 “”】。还 有其它有关涡旋型线的文献，文献 7 1 7 2 】以圆渐开线任意渐开线发生角为前提建立了的 涡旋压缩机的型线几何模型和力学模型；文献【7 3 7 4 】对共轭型线及涡旋齿能够啮合的数 学问题进行了研究；文献【7 5 提出一种涡旋齿生成的法向等距线法，拓宽了涡旋齿可用 型线范围。 1 2 1 2 齿头型线修正 由于单一基体型线构成的涡旋齿难以实现完全啮合，不能兼顾压缩、排气和加工等 多方面的要求，故常在对压缩机性能造成较大影响的涡旋齿齿头实施型线修正。三菱公 司的平野隆久( 1 酞a h i s ah i r a n o ) 提出一种称之为p m p 或占一p m p 的型线修正方、法【7 6 7 9 】，降 低齿端的接触应力，进一步提高了机器的性能和效率；台湾学者n r e nl e e 等对p m p 技术作了进一步的推广 8 0 1 ：刘振全利用图解法简明的描述了双圆弧修正齿形的生成过 程，得到了修正齿形参数间的变化关系 8 3 1 ，并用运动轨迹的外包络线法证明了所生成 的修正齿形能实现正确啮合1 8 4 “5 】；文献 8 6 9 1 】也对双圆弧修正进行了研究，得到了不 同齿形参数问的变化关系；冯诗愚分析了圆弧类型线修正问题，包括对称圆弧修正、非 对称圆弧修正、对称圆弧加直线修正和非对称圆弧加直线修正四种方法，推导出不同修 正条件下的排气角 9 2 1 ；高秀峰提出具有普遍意义的单涡旋齿两大类八种无余隙齿形修正 方法及两类有余隙齿形修正方法，并提出一种基于圆弧和线段的双涡旋齿齿端修正方 法，同时对常用齿形的十几种常用排气孔的动态排气面积进行了计算，总结出七种综合 效果良好的齿端修正及相应的排气孔形状【9 3 棚6 l ；单涡旋齿的型线修正方法还有圆渐开线 加直线修正【9 7 1 、三角函数类修耐9 8 1 及基于三基圆延伸形变修耐9 9 圳0 1 等方法。 博士学位论文 1 2 1 3 组合型线 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。以线段渐开线一高次曲线一圆渐开线三段组合型线为 例，内部高压区的圆渐开线使大部分气体切向力与基圆中心连线平行，以降低防自转机 构的载荷变动幅度，减轻机器的振动：外部的线段渐开线主要用来提高吸气容积；中间 部分由高次曲线将内外部的圆渐开线光滑连接以减小型线的泄漏线长度。组合型线的优 点有：( 1 ) 提高面积利用率、提高排气量和压缩比；( 2 ) 缩短涡旋齿型线的长度和圈数， 减少涡旋齿加工量、减少泄漏线长度、缩短压缩过程和减少气体的停留时间；( 3 ) 较宽 的壁厚不但增大了气体径向泄漏的阻力，有利于减小泄漏，而且在较宽的齿厚处还可开 设冷却腔以进行内部冷却。同样组合型线也存在着不足：( 1 ) 增加了工作腔之间的压差， 气体的泄漏增加：( 2 ) 少量的增加了气体力和转矩及其波动量；( 3 ) 型线加工和测量较为 困难。 常见的组合型线主要有：圆渐开线一圆弧一圆渐开线组合型线1 9 ”、圆渐丌线一i 类 型线一圆渐开线组合型线4 7 ，”。10 2 】、线段渐开线一高次曲线一圆渐开绀1 0 3 1 、由大小圆 弧和线段组成的涡旋组合型线【6 “7 0 】等。 1 2 1 4 双涡旋齿型线 双涡旋齿涡旋