專利名稱：等壁厚高壓縮比渦旋壓縮機的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種新型渦旋壓縮機，具體涉及一種等壁厚高壓縮比渦旋壓縮機。
背景技術(shù)：
渦旋壓縮機是一種用于壓縮和制冷的精密機械，自1905年由Cruex發(fā)現(xiàn)其工作原理以來，因受型線加工技術(shù)的制約，直到1970’s數(shù)控加工技術(shù)的進步，商業(yè)用途開始大規(guī)模出現(xiàn)。自從那時起，應用越來越普遍。很快，人們便認識到渦旋壓縮機的內(nèi)在特性如運動部件少，低噪音，低振動，高效率和高可靠性等優(yōu)越性，投入了很多研究。如今，渦旋壓縮機被廣泛用于中小規(guī)模的空調(diào)及制冷單元中。
渦旋壓縮機是以型腔容積變化為工作原理的機械，具有結(jié)構(gòu)緊湊、高效節(jié)能、微振低噪、可靠性高等諸多特點，在制冷和空調(diào)等領域被廣泛應用。但是傳統(tǒng)型線的本質(zhì)特性，使其壓縮效率、體積利用系數(shù)和應用范圍受到限制。渦旋型線的形狀對整機的結(jié)構(gòu)尺寸、性能參數(shù)有著顯著的影響，因此在整機設計中顯得尤為重要。目前渦旋型線的優(yōu)化設計多數(shù)是在一些參數(shù)修改設計的基礎上，簡化為單目標優(yōu)化問題，因而不易獲得多性能最優(yōu)的設計方案。
在渦旋壓縮機開發(fā)中遇到的最大問題是渦旋型線的設計，其為壓縮機性能的決定因素。為達到更好的性能，過去二十年中，已進行了一些研究工作。一些論文基于幾何和優(yōu)化的角度考慮，已提出了許多類型的型線。如圓漸開線、正多邊形漸開線(偶數(shù)多邊形)、線段漸開線、半圓漸開線、代數(shù)螺線、變徑基圓漸開線、包絡型線和通用型線等，但沒有一個是從通用曲線類的角度來考慮的。它們的共同劣勢在于型線與性能目標之間存在著單一的映射關(guān)系，過分依賴于型線方程的具體表達形式，具體的模型對應著具體的型線，造成各種型線的建模過程過于復雜而且各自相異。因而設計柔性比較差，針對性過強，推導得出的結(jié)論不具備通用性和普遍性，同時計算效率低下。另外，傳統(tǒng)型線的一個主要問題是壓縮過程非常緩慢，要獲得高壓縮比型線需要很多圈，而且結(jié)構(gòu)尺寸龐大且泄漏量急劇加大。至于日本所提出的一種修正型線，利用兩段圓弧進行修正，即Perfect Mesh Profile即PMP型線，但由于位于根部的型線段處于高壓區(qū)，其強度較低。要增加PMP型線的根部厚度，或是使整個渦線壁厚增加，這將增加高速運轉(zhuǎn)的渦盤慣性力及力矩；或是減小脫嚙角，這又將使壓縮比大大減小，而根部厚度的增加帶來的好處不僅僅是強度問題，，且減小阻力損失并提高壓縮效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提供了一種基于泛函的通用渦旋型線形狀設計的渦旋壓縮機。
本發(fā)明的上述目的是通過采用以下的技術(shù)方案實現(xiàn)的一種等壁厚高壓縮比渦旋壓縮機，包括兩個相扣的靜渦盤和動渦盤，所述靜渦盤和動渦盤是兩個形狀相同、壁厚相等但相位角相對錯開180°的渦旋卷體，其上下相扣構(gòu)成壓縮腔，其特征在于所述渦旋卷體為基于泛函的通用渦旋型線加工的渦旋卷體其型線函數(shù)可表征為s()＝C0+C1+C22+C33+…+Ckkk＝0，1，2，3…n式中s——型線弧函數(shù)——型線切向角參數(shù)Ck——型線系數(shù)參數(shù)k——級數(shù)項數(shù)n——自然數(shù)。
上述靜渦盤和動渦盤的渦旋卷體構(gòu)成的型腔形狀由于采用通用渦旋型線的表征形式，從而得到結(jié)構(gòu)緊湊、高效高壓縮比的渦旋壓縮機。
本發(fā)明渦旋壓縮機的整機結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1，2所示。靜渦盤和動渦盤相對180°，相位偏置不發(fā)生自轉(zhuǎn)；一個繞另一個作圓周平動的渦盤相扣組裝在一起，形成一系列的接觸點和月牙形的型腔。制冷劑從渦盤的外緣被吸入型腔，隨著運動的進行，嚙合點的發(fā)生從外向內(nèi)，壓縮腔的體積逐漸變小，制冷劑被逐步壓縮。最后，制冷劑從靜盤中心附近的排氣口排出，完成一個工作循環(huán)。
由于渦旋型線的幾何形狀是影響壓縮機性能的根本因素之一。從微分幾何的觀點來看，由曲線論的基本定理可知，曲線的本質(zhì)特性在于平面曲線除了平面的標架以外，完全決定于它的自然方程，即曲線是由它的曲率和撓率唯一決定的，與坐標系的選擇無關(guān)。而且，利用泛函理論和TAYLOR級數(shù)思想，基于泛函的通用渦旋型線可用關(guān)于切向角參數(shù)的基于曲率半徑的平面曲線固有方程的弧函數(shù)級數(shù)形式來表征，如下所示。
s()＝C0+C1+C22+C33+…+Ckkk＝0，1，2，3…n (1)式中，s——型線弧函數(shù)表征——型線切向角參數(shù)Ck——型線系數(shù)參數(shù)k——級數(shù)項數(shù)
n——自然數(shù)。
在確定靜渦盤型線之后，可求作此曲線作公轉(zhuǎn)平動的包絡線，此包絡線即為動渦盤的渦旋型線，與靜渦盤的型線共軛嚙合。兩型線的共軛嚙合點主要滿足關(guān)系當任意一對共軛點接觸時，兩渦盤的中心距離為一常量，即平動半徑r＝O1O2＝(ρ(+2π)-ρ()-2t)/2(2)式中，ρ——型線曲率半徑——型線切向角參數(shù)t——型線壁厚這兩條共軛曲線及嚙合點圍成了一個封閉的區(qū)域，形成壓縮腔?？紤]到絕大多數(shù)渦旋壓縮機直壁等高的特性，則在等壁厚的條件下，壓縮腔的容積可如下表示V()＝2{πr2+r[s(+2π)-s()]}h (3)式中，h——渦旋盤壁高——型線切向角參數(shù)r——型線平動公轉(zhuǎn)半徑從圖1，2中可以看出，構(gòu)成一個完整的壓縮腔，型線切向角必須滿足≥2π。從上式中可以看出，在運動半徑一定的情況下，壓縮腔的容積與弧函數(shù)表征形式有關(guān)，即由具體的型線類型來決定。
當壓縮機連續(xù)正常工作時，外圈的吸氣腔吸氣，最內(nèi)的排氣腔與排氣孔連通排出高壓氣體，行程容積比表征如下γ(X)＝V(6π)/V(2π) (4)式中V(6л)為吸氣腔容積，V(2л)為排氣腔容積。
再引入一個重要的性能指標-標準化體積利用系數(shù)，它直接反映了渦旋壓縮機整體尺寸結(jié)構(gòu)與緊湊程度大小，表征如下λ(X)＝4*V(6π)/V(π(D/2)2) (5)式中D為靜渦盤、動渦盤的最大外徑渦旋型線由幾何共軛曲線構(gòu)成，對渦旋型線進行形狀優(yōu)化，對其幾何特性進行了分析，在分析并集成已有的平面曲線類型基礎上，提出基于泛函的通用渦旋型線設計理論，相比傳統(tǒng)型線表征，易于擴展得到新型渦旋型線。
建立固定在靜渦盤中心0的如圖3示的直角坐標系及型線分析計算模型。
動靜盤內(nèi)外壁型線以及嚙合點封閉的區(qū)域，構(gòu)成壓縮機。壓縮腔的容積為V()＝2*V′()＝2{πr2+r[s(+2π)-s()]}h(6)式中V——壓縮腔的容積V’——單個壓縮腔的容積r——平動公轉(zhuǎn)半徑h——渦盤壁高影響壓縮機結(jié)構(gòu)性能的指標很多，尤其是被用于轎車等空間有限的地方，此時最重要的評價指標為行程容積比、體積利用系數(shù)等，根據(jù)型線的評判標準，設計構(gòu)造一種新型渦旋型線，使得壓縮機容積效率高且結(jié)構(gòu)緊湊。
渦旋卷體構(gòu)成的型腔形狀基于所述的泛函的通用渦旋型線函數(shù)方程s()＝C0+C1+C22+C33+…+Ckk(1)其型線系數(shù)參數(shù)Ck通過利用TAYLOR級數(shù)思想及其收斂原則，以該系數(shù)Ck為變量，通過改變、舍取級數(shù)項數(shù)，從而使型線得到優(yōu)化，當k大于2時，通過MATLAB軟件處理得到基于泛函的通用渦旋型線表征，通過PROE建模仿真得到三維實體模型，并通過數(shù)控機床直接加工得到渦旋卷體。
當k為1或2時，不需要MATLAB優(yōu)化控制壁厚相等。
有益效果本發(fā)明提供的基于泛函的通用渦旋型線的等壁厚高壓縮比渦旋壓縮機與傳統(tǒng)的壓縮機相比，它的構(gòu)成型線不但能夠發(fā)揮通用渦旋型線的優(yōu)勢，其構(gòu)成的新型型線還能滿足單一型線不能達到的技術(shù)指標，從而提高了效率，減少了泄漏量，壓縮比成倍增長，體積利用系數(shù)也變大。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明專利進一步說明圖1——渦旋壓縮機整機實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2——渦旋壓縮機的工作原理；圖3——動靜渦盤共軛嚙合型線；圖4——等壁厚新型優(yōu)化型線s1()；圖5——傳統(tǒng)優(yōu)化渦旋型線s2()；s——型線弧函數(shù)圖中1——螺栓；2——靜渦盤；3——背壓孔；4——背壓腔；5——底座；6——底蓋；7——偏心軸；8——動渦盤；9——十字環(huán)；10——墊圈；11——軸承；12——O形圈；13——螺栓；14——墊圈；15——O形圈；16——排氣腔；17——壓縮腔；18——吸氣腔。
具體實施方案參見附圖1在實施例中，等壁厚高壓縮比渦旋壓縮機包括兩個相扣的靜渦盤2和動渦盤8，所述靜渦盤和動渦盤是兩個形狀相同、壁厚相等但相位角相對錯開180°的渦旋卷體，所述渦旋卷體的壁厚相同；其中動渦盤8與偏心軸7連接，動渦盤上具有背壓孔3，將壓縮腔與設置在底座中的背壓腔連通，在底座的背壓腔內(nèi)設置有十字環(huán)9，其上下的滑動齒分別位于底座和動渦盤上的直線滑槽內(nèi)；底座5通過螺栓1和與靜渦盤2一體的上端蓋連接，在靜渦盤上設置有與外界連通的吸氣孔和排氣孔；偏心軸7帶動動渦盤8轉(zhuǎn)動，偏心軸通過軸承11支撐在底座5的中心孔內(nèi)；在十字環(huán)9的作用下動渦盤8圍繞靜渦盤2做平動公轉(zhuǎn)，從而形成壓縮腔達到氣體壓縮的目的。
上述渦旋卷體的渦旋形狀為基于泛函的通用渦旋型線的函數(shù)表達式(1)所表達的形狀s()＝C0+C1+C22+C33+…+Ckkk＝0，1，2，3…n (1)式中s——線弧函數(shù)——型線切向角參數(shù)Ck——型線系數(shù)參數(shù)k——級數(shù)項數(shù)n——自然數(shù)。
實施例中，根據(jù)TAYLOR級數(shù)思想和級數(shù)函數(shù)收斂原則取前三項，通過MATLAB軟件處理得到基于泛函的通用渦旋型線表達式為s1()，如下式所示，其渦旋型線圖形如圖4所示。
s1()＝-3.9021+0.79392(21)與傳統(tǒng)優(yōu)化渦旋型線的渦旋壓縮機進行對比，如表2所示。傳統(tǒng)優(yōu)化渦旋型線表達式為s2()，如圖5所示。
表1——型線性能對比

從表1的測試結(jié)果可以看出，對于基于泛函的通用渦旋型線等壁厚型線渦旋壓縮機其壓縮比和體積利用系數(shù)均有了顯著的提高，尤其是壓縮比提高了將近一倍，表明了基于泛函的通用渦旋型線等壁厚型線設計理論的有效性及其工業(yè)實用性。
權(quán)利要求
1.一種等壁厚高壓縮比渦旋壓縮機，包括兩個相扣的靜渦盤和動渦盤，所述靜渦盤和動渦盤是兩個形狀相同、壁厚相等但相位角相對錯開180°的渦旋卷體，其上下相扣構(gòu)成壓縮腔，其特征在于所述渦旋卷體為基于泛函的通用渦旋型線加工的渦旋卷體所述基于泛函的通用渦旋型線的函數(shù)表達式為s()＝C0+C1+C22+C33+…+Ckkk＝0，1，2，3…n (1)式中s——型線弧函數(shù)——型線切向角參數(shù)Ck——型線系數(shù)參數(shù)k——級數(shù)項數(shù)n——自然數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等壁厚高壓縮比渦旋壓縮機，其特征在于渦旋卷體形狀基于所述的基于泛函的通用渦旋型線函數(shù)方程s()＝C0+C1+C22+C33+…+Ckk的型線系數(shù)參數(shù)Ck通過利用TAYLOR級數(shù)思想及其收斂原則，以該系數(shù)Ck為變量，通過改變、舍取級數(shù)項數(shù)，當k大于2時，通過MATLAB軟件處理得到基于泛函的通用渦旋型線表征，通過PRO/E建模仿真得到三維實體模型，并通過數(shù)控機床直接加工得到渦旋卷體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等壁厚高壓縮比渦旋壓縮機，其特征在于級數(shù)項數(shù)k為1或2。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種等壁厚高壓縮比渦旋壓縮機，包括兩個相扣的靜渦盤和動渦盤，所述靜渦盤和動渦盤是兩個形狀相同、壁厚相等但相位角相對錯開180°的渦旋卷體，其上下相扣構(gòu)成壓縮腔，其特征在于所述渦旋卷體為基于泛函的通用渦旋型線加工的渦旋卷體所述基于泛函的通用渦旋型線的函數(shù)表達式為s(φ)＝C
文檔編號F04C18/02GK101042137SQ200710078409
公開日2007年9月26日 申請日期2007年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月20日
發(fā)明者陳進, 王立存, 李世六 申請人:重慶大學