涡旋齿数对多齿涡旋压缩机性能的影响.pdf
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1、?: 2008 - 11 - 08 ?:国家自然科学基金项目(50806082) ;教育部高等学校博士点新教师基金项目(20070425525) ;青岛市科技计划项目(07 - 2 - 3 - 15 - jch) ?:王君(1976 - ) ,男(汉族 ) , 吉林梅河口人,副教授,博士,研究方向为涡旋机械和容积式流体机械。 ?: 167325005(2009) 0320118205 涡旋齿数对多齿涡旋压缩机性能的影响 王 君,鞠 虹,赵 明,曲 燕 (中国石油大学 机电工程学院,山东 东营257061) ?:建立适用于任意齿数的多齿涡旋盘通用几何模型,得到压缩机吸气量、 压缩比及相对滑动速度
2、等性能参数随 涡旋齿数的变化规律,讨论齿厚、 齿高和节距等涡旋盘结构参数的制约条件和齿数对涡盘性能的影响,并对圆渐开 线与正多边形渐开线作为多涡旋齿齿壁型线的区别进行分析对比。结果表明:与单涡旋齿涡旋压缩机相比,当基圆 半径不变时,多涡旋齿相对滑动速度明显减小;当节距不变时,多涡旋齿吸气量明显增加;多齿涡旋压缩机可同时提 高排气量、 减小压缩机外形尺寸和摩擦损失,更适用于较大吸气量的应用场合。 ?:涡旋压缩机;多涡旋齿;几何模型;优化 ?: TH 45 ?:A Influence of wrap number on performance of multi2wrap scroll compre
3、ssor WANG Jun, JU Hong, ZHAO Ming, QU Yan (College of M echanical and Electronic Engineering in China University of Petroleum, Dongying257061, China) Abstract: A general geometrymodel ofmulti2wrap scroll plate was established, the variation laws of perfor mance parameters such as suction volume, com
4、pression ratio and relative velocity with wrap number were obtained, the influencing factors of the structure parameters ofwrap thickness, wrap height as well as pitch in working process were discussed, and the differ2 ences between circle involute and regular polygon involute used for wrap profile
5、were analyzed. Compared with single wrap scroll compressor, the relative velocity ofmulti2wrap scroll compressorwith the same basic circle radius decreases obviously, and its suction volume with the same pitch increases .Therefore, the multi2wrap scroll compressor can increase suction vol2 ume, decr
6、ease compressor?s shape di mension and reduce friction loss at the same ti me, and ismore applicable to the situa2 tion of large suction volume. Key words: scroll compressor; multi2wrap; geometrymodel; optimization 涡旋压缩机因其容积效率高、 可靠性高和振动噪 声小等优点正逐步扩大其应用领域,向大气量和大功 率方向发展,对其关键技术的研究也从以往的单涡旋 齿型线 122向多涡旋齿型线
7、328方向迈进。多齿涡旋 压缩机是指在同一涡旋盘上分布有多条涡旋齿,在工 作中由于参与啮合的涡旋齿数及其所形成的工作腔 数的增多,与传统的单齿涡旋压缩机相比,可同时实 现提高吸气量、 减小整机外形尺寸、 减小两涡旋盘间 的相对滑动速度和降低涡旋盘所受气体力的波动幅 度,具有更高的综合性能。涡旋齿数的不同对涡旋盘 结构和压缩机性能影响极大,在多齿涡旋盘结构参数 的优化设计中,齿数的确定较为困难,因而多齿涡旋 盘结构优化问题成为多齿涡旋压缩机发展的关键。 前人的研究主要针对单涡旋齿,而对多齿涡旋盘的研 究甚少 324。笔者以圆渐开线型线为例 ,通过建立通 用于任何齿数的涡旋盘几何模型 3 ,得到涡
8、旋盘基本 结构参数和涡旋压缩机性能参数随涡旋齿数的变化 规律,讨论齿数对压缩机吸气量、 压缩比、 相对滑动速 2009年 第33卷 中国石油大学学报(自然科学版) Vol . 33 No. 3 第3期 Journal of China University of Petroleum Jun. 2009 度和涡旋盘直径等参数的影响。 1? 111? 多齿涡旋盘如图1所示,图中涡旋齿型线类型 为圆渐开线,涡旋齿数为2。动静两涡旋盘上的多 条涡旋齿的生成过程为:静涡旋盘上的一条涡旋齿 以基圆圆心点为基点通过均布旋转得到静涡旋盘上 的2条涡旋齿;再将静涡旋盘上的2条涡旋齿以基 圆圆心点为基点旋转一固定
9、角度后得到动涡旋盘上 的2条涡旋齿;动静两涡旋盘上的4条涡旋齿对插 在一起,相对偏置一定距离(为主轴偏心距Ror)后, 实现两涡旋盘多条涡旋齿之间的啮合。 ?1? Fig. 1M eshing of multi2scroll wrap 对于单涡旋齿,动静两涡旋盘间相对错开 180,同时形成2组对称的工作腔;对于双涡旋齿, 同一涡旋盘上的2条涡旋齿相对180 均匀分布,动 静两涡旋盘间相对错开90 或270,在一周内有2 个相位相错角,依次形成4组工作腔, 4组工作腔的 形成相位相差为90;对于任意齿数的Z涡旋齿,同 一涡旋盘上的Z条涡旋齿相对360/Z均匀分布, 动静两涡旋盘间相互错开的角度可
10、为180/Z,3 180/Z,5180/Z, , ( 2Z- 1)180/Z,在一周 内有Z个相位相错角,依次形成2Z组工作腔,2Z 组工作腔的形成相位相差180/Z。 112? 多齿涡旋盘结构如图2所示。涡旋盘的独立结 构参数有:型线类型、 齿数Z、 节距St、 齿厚 、 齿高h 和涡旋齿型线始、 末展角 s,e。图中涡旋齿型线 类型为圆渐开线,涡旋齿数为2。 113? 如图2所示,基圆半径为Rb,发生角为 。 多涡旋齿的齿数Z须满足 Z / ( 2 ). 多涡旋齿的齿厚 、 节距St、 主轴偏心距Ror和涡旋齿 外接圆半径Rw分别为 =2Rb, St=2Rb/Z, Ror= 1 2 (S
11、t-2) = Z Rb-2Rb, Rw= Rb(e+) 2 +1. ?2? Fig. 2Structure of multi2scroll plate 涡旋盘直径D可估算为 D =2 (R w+l ). 动静两涡旋盘间的相对滑动速度u为 u =2nRor/60. 式中,l为涡旋盘边缘间隙,mm;n为主轴转速, r/min。 在计算工作腔轴向投影面积时(图1 ) , 由于左 右两图中的工作腔面积相等,因而多涡旋齿在主轴 旋转一周内的吸气容积Vs和排气容积Vd分别为 Vs=2Zh Z- R 2 b 2 (e - x) 2 dx - Z- R 2 b 2 (e- 2 - x) 2 dx, Vd=2Z
12、h Z- R 2 b 2 (s+3 - x) 2 dx - Z- R 2 b 2 (s+ - x) 2 dx . 压缩过程按理想气体无泄漏绝热压缩过程,压 缩指数为k,则压缩比为 = Vs/Vd k. 2? 在涡旋压缩机的设计中,除了满足吸气量、 压缩 比和涡旋盘直径等要求外,还要考虑齿厚、 齿高、 主 轴偏心距和转速等因素的制约,使得所设计的涡旋 压缩机更好地满足强度、 刚度和加工条件的要求,具 备良好的热力性能和动力性能。 (1)齿厚 。 齿厚决定了涡旋齿的强度和刚度。 若齿厚过小,加工中变形大,运行中热变形和力变形 大,进而气体泄漏严重,热力性能降低,工作可靠性 降低;若齿厚过大,则涡旋
13、齿占据涡旋盘空间大,涡 旋盘面积利用率低,整机尺寸大。 911第33卷 第3期 王 君,等:涡旋齿数对多齿涡旋压缩机性能的影响 (2)齿高h。 齿高对吸气量影响较大,齿高越 大,工作腔容积越大,吸气量越大,但齿高过大又将 导致涡旋齿强度和刚度降低以及涡旋盘受力稳定性 和运转稳定性降低。 (3)/St, h /St,/h和h /D值。 /St反映了涡旋 盘的面积利用率,即涡旋齿占据涡旋盘面积的比例, 对两涡旋盘间的相对滑动速度、 摩擦磨损及轴系动 平衡影响较大; h /St反映了工作腔空间尺寸之间的 关系, h /St过大则动涡旋盘所受倾覆力矩增大;/h 反映了涡旋齿的强度和刚度; h /D反映
14、了涡旋盘外 形结构。 (4)转速n。 转速决定了压缩机的吸气量和两 涡旋盘的相对滑动速度,转速对压缩机的外形尺寸、 摩擦磨损、 润滑和振动特性影响极大,同时也影响压 缩机的气体泄漏和运行可靠性。 3? 311? 基圆半径Rb、 齿厚 、 齿高h、 外接圆半径Rw和 转速n相同,不同齿数的多涡旋齿结构如图3所示。 ?3? Fig. 3M ulti2scroll wrap with the same basic circle radius 随着涡旋齿数的增加,涡旋齿圈数增多,工作 中所形成的工作腔数量增多,同时节距St明显变 小,主轴偏心距Ror变小。 压缩机的吸气量、 压缩比和 相对滑动速度的变
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