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上海交通大学学报, 2024, 58(8): 1282-1289 doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.532

机械与动力工程

利用代数-阿基米德双螺线构建变截面涡旋齿组合型线

闫敏, 刘涛,, 麻德权, 党旭

兰州理工大学 机电工程学院, 兰州 730050

Construction of Combined Variable-Section Scroll Tooth Profiles Using Algebraic-Archimedes Double Spiral

YAN Min, LIU Tao,, MA Dequan, DANG Xu

School of Mechanical and Electrical Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China

通讯作者: 刘 涛,教授,博士生导师,电话(Tel.):0939-2973860;E-mail:liutao1971@lut.edu.cn.

责任编辑: 王一凡

收稿日期: 2022-12-26   修回日期: 2023-02-9   接受日期: 2023-02-15  

基金资助: 国家自然科学基金(52265034)

Received: 2022-12-26   Revised: 2023-02-9   Accepted: 2023-02-15  

作者简介 About authors

闫敏(1996-),博士生,从事涡旋机械复杂型面的设计研究.

摘要

变截面涡旋机械组合型线由于不同类型曲线采用不同的模型参数,型线的数学模型较为复杂且连接条件不易通过显性计算获得.针对上述问题,提出由代数螺线-阿基米德螺线双螺线组合的新型涡旋型线.首先,基于共轭啮合理论求解螺线类涡旋型线曲线极角与主轴转角之间的关系,推导出螺线类涡旋型线的归一化数学方程.其次,根据组合型线的光滑连接条件建立双螺线涡旋型线连接点的约束方程,得到两类双螺线涡旋型线的几何模型.然后,定量分析了第一类双螺线组合型线参数(螺线指数、螺线系数和连接点极角)对涡旋齿几何性能的影响.最后,对比研究了双螺线组合涡旋型线的性能优势.结果表明:第一类双螺线组合型线几何表征简洁、无需进行齿头型线修正即可直接使用;在涡旋齿径向尺寸相同条件下,与传统圆渐开线涡旋齿相比,行程容积提升了7.61%,压缩比提升了27.42%,面积利用系数提升了7.61%.

关键词: 阿基米德螺线; 代数螺线; 螺线类涡旋型线; 双螺线组合型线; 变截面涡旋齿; 涡旋压缩机

Abstract

The mathematical model of the profile is complicated and the connection conditions are not easily obtained by explicit calculation because different model parameters are used for different types of curves. To address the above problems, a new scroll profile is proposed by double spiral which is the combination of algebraic spiral and Archimedes spiral. First, based on the conjugate mesh theory, the relationship between the spindle angle and the pole angle of the curve is solved to derive the normalized mathematical model of the scroll line of the spiral type. Then, based on the smooth connection conditions of the combined profiles, the constraint equations of the connection points of the double spiral scroll profiles are established, and the geometric models of the two types of double spiral scroll profiles are obtained. Afterwards, the effects of the parameters of the first type of double spiral combined profile (spiral index, spiral coefficient, and pole angle of the connection point) on the geometric performance of the scroll teeth are quantitatively analyzed. Finally, the performance advantages of the two-screw combination scroll profile are comparatively studied. The results show that the geometry of the first type of double spiral combined profile is simple and can be directly used in production without head profile correction. The stroke volume is increased by 7.61%, the compression ratio is increased by 27.42%, and the area utilization factor is increased by 7.61% compared with the conventional circular involute scroll teeth at the same radial dimension of scroll teeth.

Keywords: Archimedes spiral; algebraic spiral; spiral type scroll profile; double spiral combination profile; variable section scroll wraps; scroll compressor

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本文引用格式

闫敏, 刘涛, 麻德权, 党旭. 利用代数-阿基米德双螺线构建变截面涡旋齿组合型线[J]. 上海交通大学学报, 2024, 58(8): 1282-1289 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.532

YAN Min, LIU Tao, MA Dequan, DANG Xu. Construction of Combined Variable-Section Scroll Tooth Profiles Using Algebraic-Archimedes Double Spiral[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2024, 58(8): 1282-1289 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.532

涡旋压缩机是通过容积变化来实现气体压缩的流体机械[1].其因效率高、噪声低、高可靠性、振动小且低耗能等诸多优点被广泛应用于制冷、空调、膨胀机、真空泵等领域[2-4].

型线是涡旋压缩机结构设计和性能优化的基础和关键[5-6],其优劣直接影响涡旋压缩机的性能.国内外学者对此开展了大量富有成效的研究工作,目前的型线研究主要集中在等壁厚涡旋型线和变壁厚涡旋型线两大类.等壁厚涡旋型线[7]研究中以圆渐开线作为涡旋型线的数学模型较为成熟,且可由展成法加工涡旋齿,易于保证加工精度.但由于几何条件的约束,导致加工中材料利用不充分.变截面涡旋型线是通过不同类型的曲线组合来达到提高涡旋型线性能的目的,目前常见的变截面涡旋型线主要组成单元有圆渐开线、高次曲线、圆弧、变径基圆渐开线等.Bush等[8]首次提出由圆渐开线+高次曲线+圆弧构成的变截面涡旋型线; Shaffer等[9]采用控制容积法建立了变截面涡旋几何模型;彭斌等[10]建立了变截面组合型线涡旋齿的数学模型,分析了实际气体在工作过程中温度、压力和质量随曲轴转角的变化规律;王君等[11]建立了一种渐变齿厚涡旋齿型线模型,对该涡旋齿涡旋压缩机进行了流场分析以及涡旋齿变形分析,结果表明,该涡旋齿与等壁厚涡旋齿相比,其齿变形更小、应力分布更合理.由于不同类型曲线采用不同的模型参数,变截面组合涡旋型线的数学模型较为复杂且连接条件不易通过显性计算获得.若采用同类曲线组合构成变截面涡旋型线,不但有统一的数学模型描述,且易于通过参数优化提高型线的综合性能.

代数螺线和阿基米德螺线是螺线类曲线,在型线设计中采用代数螺线[12-13]可通过调节曲线指数改变涡旋齿壁厚,阿基米德螺线是一种应用广泛、数学描述简洁又便于加工的曲线[14-15].本文将代数螺线与阿基米德螺线组合构成新的双螺线组合涡旋型线,根据共轭啮合理论[16-17]推导出螺线类涡旋齿曲线极角与主轴转角的关系,得出螺线类涡旋型线的归一化数学方程,根据光滑连接条件构建双螺线组合型线涡旋齿的几何模型,研究了第一类双螺线组合型线参数对双螺线涡旋齿几何性能的影响及其性能优势.新建立的双螺线组合型线涡旋齿有助于提高涡旋压缩机的性能,改善了传统变截面组合涡旋型线数学模型复杂的不足,为涡旋机械的型线设计提供了一条新的思路.

1 螺线类涡旋型线模型

螺线类涡旋型线模型包括阿基米德螺线涡旋模型和代数螺线涡旋模型.

1.1 螺线类涡旋型线

螺线类型线的成形原理如图1所示.图中:ρ(t)为螺线M点的极径,是t的函数,t为该点对应的极角.螺线类涡旋型线的通用方程为

x(t)=ρ(t)cos ty(t)=ρ(t)sin t}
(1)

图1

图1   螺线类型线成形原理图

Fig.1   Schematic diagram of spiral profile formation


在代数螺线中,ρ(t)=ctk, ck分别是代数螺线中的螺线系数和螺线指数;在阿基米德螺线中,ρ(t)=a+bt,ab分别是阿基米德螺线中极角为0°时的极径和螺线系数.

1.2 螺线类涡旋型线的共轭曲线

实现涡旋压缩机正常工作的必要条件是:动涡盘与静涡盘的型线能够正确啮合,即静涡盘的涡旋体在压缩腔内的某一点,必有动涡盘涡旋体上的一点与之对应并实现瞬时接触.

设已知型线上任一点的坐标为(x(t), y(t)),其共轭曲线上的对应啮合点的坐标为(X(t), Y(t)),则有:

X(t, θ)=x(t)+Rorcos θY(t, θ)=y(t)+Rorsin θ}
(2)

式中:Ror为曲轴的回转半径;θ为主轴转角,即动静坐标系中心夹角.

互相啮合的型线必须满足包络理论条件,即

xmtymt2-xmt2ymt=0
(3)

式中:xmym为动涡盘的曲线方程变量;t2为任意时间动点相对动坐标系中心的相对偏移角,该值为变化量.

设已知动涡旋外壁型线的方程为式(1).

由式(3)得

xmt=ρ'(t)cos t-ρ(t)sin tymt=ρ'(t)sin t+ρ(t)cos t}
(4)

式中:ρ'(t)是螺线类曲线极径关于极角的一阶导数.

因为动、静涡旋齿型线相同,按相位角相错π偏置安装,动涡盘以静涡盘的中心(Of)为圆心,以Ror为回转半径做圆周平动,如图2所示.图中:xfyf为静涡盘的曲线方程;Om为动涡盘的中心.

图2

图2   包络变换坐标

Fig.2   Coordinates of envelope transformation


此时,动涡旋基线在动坐标系下的方程为

xf=-xm+Rorcos(θ+t1)yf=-ym-Rorsin(θ+t1)}
(5)

式中:t1表示任意时间动点相对静坐标系中心的相对偏移角,该值为变化量.动涡旋基线旋转π,并偏离静坐标系中心θ+t1.则已知动涡旋外壁情况下其形成的曲线簇方程为式(5),反之假设静涡旋已知为式(5),则静涡旋形成的包络线方程为

xm=-xf+Rorcos(θ+t2)ym=-yf-Rorsin(θ+t2)}
(6)

由式(6)即可得

xmt2=-Rorsin(θ+t2)ymt2=-Rorcos(θ+t2)}
(7)

显然t1=t2,将式(7)和(4)代入包络条件式(3)可得螺线类涡旋型线曲线极角t和主轴转角θ的关系为

θ=f(t)
(8)

在阿基米德螺线中,f(t)=t-arctan(ba+bt);在代数螺线中,f(t)=t-arctan(kt).

联立式(1)、(2)、(8),即可得螺线类涡旋齿动静涡旋盘的归一化数学方程.

动涡盘外、内壁曲线方程:

xm,o/i(t)=±x(t)-Rorcos f(t)ym,o/i(t)=±y(t)-Rorsin f(t)}
(9)

静涡盘外、内壁曲线方程:

xf,o/i(t)=x(t)+Rorcos f(t)yf,o/i(t)=y(t)+Rorsin f(t)}
(10)

2 双螺线组合涡旋型线模型

2.1 双螺线组合涡旋型线光滑连接条件

代数-阿基米德双螺线组合涡旋型线需在连接点处满足曲线的光滑连接条件,即位置连续条件和切线连续条件.

设初始段涡旋型线r1(t),末尾段涡旋型线r2(t),则位置连续必须满足:r1(t)=r2(t),由式(1)可得此组合型线位置连续方程为

ctk-(a+bt)=0
(11)

设曲线r1(t)和r2(t)的斜率分别为m1(t)和m2(t),则两曲线切线连续必须满足:m1(t)=m2(t).

代数螺线涡旋型线在极角t处的切线斜率md

md= cktk-1sin t+ctkcos tcktk-1cos t-ctksin t
(12)

阿基米德螺线涡旋型线在极角t处的切线斜率ma

ma=- (a+bt)cos t+bsin t(a+bt)sin t-bcos t
(13)

联立式(12)、(13)可得代数-阿基米德双螺线组合型线切线连续方程为

at-bt+bkt(kcos t-tsin t)(asin t-bcos t+btsin t)=0
(14)

结合式(11)、(14),即可得代数-阿基米德双螺线组合涡旋型线在连接点处的约束方程为

ctk-(a+bt)=0at-bt+bkt=0}
(15)

结合代数-阿基米德双螺线组合型线在连接点处的约束方程和螺线类涡旋型线的归一化数学方程即可建立代数-阿基米德双螺线涡旋齿的几何模型.

2.2 双螺线组合型线母线方程的构建

本文研究的双螺线组合型线涡旋齿根据代数螺线所处位置分为两种类型.第一类是代数螺线在双螺线组合型线涡旋齿的齿头部分,第二类是代数螺线在双螺线组合型线涡旋齿的齿尾部分.双螺线组合涡旋型线基本参数如表1所示.表中:tc为组合型线母线连接点的极角;tmax为组合型线母线的终端极角.以表1中的参数值作图,组合型线母线和齿形如图3图4所示.

表1   双螺线组合涡旋型线基本参数值

Tab.1  Basic parameters of double spiral combined scroll profile

参数第一类第二类
a/mm-2π
b2.872.15
tc3.25π3.25π
c8.240.61
k0.71.4
Ror /mm44
tmax

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图3

图3   第一类双螺线组合型线的母线及齿形图

Fig.3   Generatrix and tooth profile diagram of the first type of double spiral combined line


图4

图4   第二类双螺线组合型线的母线及齿形图

Fig.4   Generatrix and tooth profile diagram of the second type of double spiral combined line


2.2.1 第一类双螺线组合涡旋型线

根据共轭曲线啮合原理,生成第一类双螺线组合型线母线,母线组成为:代数螺线+阿基米德螺线.代数螺线在涡旋齿的齿头部分时,涡旋齿型线不需要修正即可直接使用.

母线方程:

x1(t)=ctkcos ty1(t)=ctksin t}, t∈[0,tc]
(16)
x2(t)=(a+bt)cos ty2(t)=(a+bt)sin t}, t∈[tc, tmax]
(17)

2.2.2 第二类双螺线组合涡旋型线

第二类双螺线组合涡旋型线为:阿基米德螺线+代数螺线.其母线生成方式是将代数螺线涡旋型线中的齿头部分用阿基米德螺线代替,当阿基米德螺线在涡旋齿的齿头部分时,涡旋齿型线需要修正后才可以使用.

母线方程:

x1(t)=(a+bt)cos ty1(t)=(a+bt)sin t}, t∈[0, tc]
(18)
x2(t)=ctkcos ty2(t)=ctksin t}, t∈[tc, tmax]
(19)

2.3 涡旋齿内外壁型线的生成

图5所示,涡旋齿的内外壁涡旋型线均由其相对应的母线生成.以Cg1为母线,以其内、外法向等距线分别生成动涡旋盘的外壁型线Cm,o和静涡旋盘的内壁型线Cf,i,然后再以Cg1的中心对称曲线Cg2为另一条母线,以其内、外法向等距线分别生成静涡旋盘的外壁型线Cf,o和动涡旋盘的内壁型线Cm,i.其中Cf,iCm,oCf,oCm,i分别是两对共轭曲线,共轭曲线间的距离即为曲轴的回转半径Ror.

图5

图5   涡旋齿型线

Fig.5   Profile of scroll tooth


2.4 双螺线组合型线涡旋齿的几何性能

涡旋压缩机是通过动、静涡旋齿相互啮合形成的腔体来实现对气体的压缩.本文建立的第二类双螺线组合型线涡旋齿的齿头部分需要修正后才可以合理使用,而第一类双螺线涡旋齿头部分不需要修正即可直接使用.因此,对第一类双螺线组合型线的几何性能进行研究.图6是双螺线涡旋型线的啮合模型,由外向内依次为吸气腔、压缩腔和排气腔,分别用③、②、①来表示.吸气容积是反映涡旋压缩机容积特性的一个重要参数,规定当主轴转角为0°时最外侧的工作腔容积为行程容积Vs,利用母线法计算行程容积.

图6

图6   动、静涡旋齿啮合图

Fig.6   Diagram of dynamic and static scroll tooth meshing


(1) 当吸气腔由代数螺线和阿基米德螺线共同组成时,此组合型线的行程容积为

Vs=2hRor(L1(θ)+L2(θ))
(20)
L1(θ)= tctmax-2π x'2m1+y'2m1dt
(21)
L2(θ)= tmaxtc x'2m2+y'2m2dt
(22)

式中:h为齿高.

当吸气腔由单一的代数螺线组成时,此组合型线的行程容积为

Vs=2hRorL2(θ)
(23)

(2) 当齿头部分由单一的代数螺数组成时,形成的涡旋齿齿头是封闭的,可用母线法直接计算排气容积,即

Vd=2hRortmax-5π0 (x'2(t))2+(y'2(t))2dt
(24)

(3) 压缩比是衡量涡旋压缩机几何性能的重要指标,其计算公式为

ν= (Vs(0)Vd(θ*))κ
(25)

式中:κ为气体的等熵指数,取κ=1.19;θ*为开始排气角.

(4) 面积利用系数表述了双螺线组合型线的材料利用率,其计算公式为

ε= 4A3(0)πD2
(26)

式中:D是动、静涡盘啮合时的最小外径;A3(0)是θ=0°时吸气腔的面积.

3 型线参数对双螺线涡旋齿几何性能的影响

根据所构建的双螺线组合涡旋型线的几何模型,影响双螺线组合型线涡旋齿性能的参数有abkc以及tc.引入行程容积Vs、排气容积Vd和压缩比ν,定量研究各参数对双螺线组合型线涡旋齿几何性能的影响.

3.1 连接点极角tc的影响

在相同的设计条件下,即回转半径Ror=4 mm,齿高h=25 mm和终端极角tmax=5π的条件下,取k=0.6和a=26.7 mm的双螺线组合型线计算其行程容积、排气容积和压缩比.当连接点极角tc=3π,3.25π,3.5π,3.75π,4π,4.25π,4.5π,4.75π时,组合型线涡旋齿的行程容积、排气容积和压缩比随tc的变化如图7所示.从图中可以看出,随着tc的增大,行程容积、排气容积和压缩比均逐渐减小.当tc=tmax-2π时,行程容积、排气容积和压缩比最大.

图7

图7   连接点极角tc的影响

Fig.7   Influence of pole angle tc of connection point


3.2 螺线指数k的影响

其他设计条件不变,当a=30.63 mm,螺线指数k=0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5时,计算双螺线组合型线的行程容积、排气容积和压缩比如图8所示.由图可知,当0<k<1时,行程容积和排气容积随着k的增大而增大;k>1时,行程容积和排气容积随着k的增大而减小; 同时随着k的增大,双螺线组合型线的压缩比一直在增大.

图8

图8   螺线指数k的影响

Fig.8   Influence of spiral index k


3.3 螺线系数bc的影响

由于组合型线参数之间相互关联并且影响涡旋压缩机的性能,在Rorhktmax不变的情况下,选取b=1.5,2,2.5,3,3.5,4,c=8,9,10,11,12,13时,分别计算双螺线组合型线涡旋齿的行程容积、排气容积和压缩比如图9所示.从图中可以看出,两种螺线系数对双螺线涡旋齿的性能影响趋势是一致的,随着螺线系数的增大,行程容积和排气容积逐渐增大,而压缩比不变,即螺线系数对压缩比没有影响.

图9

图9   螺线系数bc对几何性能的影响

Fig.9   Influence of spiral coefficients b,c on geometric properties


4 双螺线组合涡旋型线的性能优势

为了评价新构建的双螺线组合涡旋型线的性能优势,引入传统的圆渐开线涡旋型线进行对比,使圆渐开线涡旋型线与双螺线组合涡旋型线具有相同的齿高h、回转半径Ror、终端极角tmax和涡旋盘径D等几何参数,对两种涡旋型线的行程容积Vs、排气容积Vd、压缩比ν和面积利用系数ε进行定量分析.其分析步骤如下.

(1) 选择圆渐开线涡旋齿和新构建的双螺线组合型线涡旋齿D=80 mm、Ror=4 mm和 h=25 mm.

(2) 在圆渐开线终端展角φmax=6.25π的情况下,取修正展角φ=80°,对其进行双圆弧修正,计算圆渐开线基圆半径g、渐开线发生角α、修正角γ和圆弧中心角λ表2所示.表中:Δ表示各个指标的变化率.

表2   不同涡旋齿型线性能对比

Tab.2  Performance comparison of different scroll tooth profiles

型线类型型线参数性能指标
Vs/mm3Vd/mm3νε
圆渐开线g=2.14 mmα=0.2πγ=0.48λ=2.4935 840.7796 655.1657.4160.285 2
组合型线a=7.3 mmb=1.81c=5.06k=0.738 566.5345 842.0329.4490.306 9
Δ/%----7.6113.9227.427.61

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(3) 在双螺线组合型线和圆渐开线涡旋型线终

端展角相同的情况下,令k=0.7,根据双螺线组合型线的构建条件和盘径要求计算新构建的双螺线组合型线中cab,其中双螺线组合型线极角t与圆渐开线展角φ之间的关系如下:

tan φ= dydx= dy/dtdx/dt
(27)

(4) 根据求解出的型线参数作圆渐开线涡旋齿和双螺线组合型线涡旋齿的齿形图如图10所示,计算其行程容积Vs、排气容积Vd、压缩比ν和面积利用系数ε表2所示.从表中可以看出,双螺线组合型线涡旋齿与圆渐开线涡旋齿相比,行程容积提升了7.61%,压缩比提升了27.42%,面积利用系数提高了7.61%.

图10

图10   双螺线组合型线和圆渐开线齿形对比

Fig.10   Comparison of double spiral combination profile and circular involute tooth profile


5 结论

(1) 基于平面曲线共轭啮合理论推导出螺线类涡旋型线的归一化数学方程,根据光滑连接条件建立由代数螺线和阿基米德螺线组成的两种双螺线组合型线涡旋齿的几何模型,其中,第一类双螺线组合型线几何表征简洁,无需进行齿头型线修正即可直接使用.

(2) 研究第一类双螺线组合型线参数对涡旋齿机械几何性能的影响,结果表明:随着连接点极角tc的增大,双螺线组合型线的行程容积、排气容积和压缩比均减小;随着螺线指数k的增大,压缩比显著增大,行程容积和排气容积在k>1时逐渐减小;随着螺线系数bc的增大,压缩比不变,而行程容积和排气容积在增大.

(3) 在相同涡旋盘径、回转半径、终端展角和涡旋齿高的情况下,将新构建的双螺线组合型线涡旋齿与传统的圆渐开线涡旋齿相比较,其行程容积、压缩比和面积利用系数分别提高了7.61%、27.42%和7.61%.

参考文献

GUO Y, WANG Y, ZHAO S.

Experimental investigation and optimization of the semisolid multicavity squeeze casting process for wrought aluminum alloy scroll

[J]. Materials, 2020, 13(22): 1-15.

[本文引用: 1]

王君, 崔淑洁, 冯浩志, .

涡旋压缩机不对称双涡旋齿型线的构建与模拟

[J]. 工程热物理学报, 2021, 42(2): 386-392.

[本文引用: 1]

WANG Jun, CUI Shujie, FENG Haozhi, et al.

Construction and simulation of an asymmetric twin-wrap profile for scroll compressors

[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2021, 42(2): 386-392.

[本文引用: 1]

侯才生, 刘涛.

基于Frenet标架的变截面涡旋型线构建与性能研究

[J]. 上海交通大学学报, 2019, 53(12): 1495-1501.

DOI:10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.12.013      [本文引用: 1]

在涡旋压缩机的型线设计中,针对传统等截面涡旋型线压缩比低、动静涡旋面积利用率不够充分等问题,提出一种新型的变截面涡旋型线.运用Frenet标架分段构建了由圆渐开线和三次曲线组合而成的涡旋型线并建立了该型线的基本几何理论.引入行程容积、压缩比、面积利用系数、轴向气体力以及切向气体力对涡旋型线的性能进行评价.结果表明,与传统的由单一圆渐开线构成的等截面涡旋型线相比,新构建的变截面涡旋型线的几何性能显著提高,而动力性能的变化幅度较小;行程容积、压缩比和面积利用系数分别提高了8.80%、10.57%和8.84%.

HOU Caisheng, LIU Tao.

Construction and performance investigation of variable cross-section scroll profiles based on Frenet frame

[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2019, 53(12): 1495-1501.

[本文引用: 1]

张朋成, 彭斌, 马捷.

变截面涡旋膨胀机几何模型分析

[J]. 上海交通大学学报, 2023, 57(3): 309-315.

DOI:10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.354      [本文引用: 1]

提出一种由不同基圆半径的圆渐开线组成的新型变截面涡旋膨胀机,论述型线的生成方法,给出型线的一般方程,建立一系列圆渐开线变截面涡旋膨胀机的几何模型,并分析控制系数对变截面涡旋膨胀机容积变化的影响.构建传统等截面、变截面涡旋膨胀机的几何模型,对比分析几何模型的优劣.结果表明:提出的新型变截面涡旋膨胀机模型不但具有传统变截面模型的优点,而且可以大幅度减少计算量,并在一定程度上丰富了变截面涡旋膨胀机的种类,为开发高性能的涡旋膨胀机提供借鉴.

ZHANG Pengcheng, PENG Bin, MA Jie.

Comprehensive analysis of geometric model of variable thickness scroll expander

[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2023, 57(3): 309-315.

[本文引用: 1]

侯才生, 刘涛.

基于Frenet标架的变截面涡旋齿齿厚变化规律研究

[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2019, 40(6): 1169-1174.

[本文引用: 1]

HOU Caisheng, LIU Tao.

Law governing the change in the thickness of a variable cross-section scroll tooth based on Frenet frame

[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2019, 40(6): 1169-1174.

[本文引用: 1]

王立存, 董光辉, 王旭东, .

通用型线电动涡旋压缩机的结构设计及动态仿真

[J]. 中国机械工程, 2017, 28(6): 728-733.

[本文引用: 1]

WANG Licun, DONG Guanghui, WANG Xudong, et al.

Structural design and dynamic simulation of a general profile electric scroll compressor

[J]. China Mechanical Engineering, 2017, 28(6): 728-733.

[本文引用: 1]

EMHARDT S, TIAN G, CHEW J.

A review of scroll expander geometries and their performance

[J]. Applied Thermal Engineering, 2018, 141: 1020-1034.

[本文引用: 1]

BUSH J W, BEAGLE W P, HOUSMAN M E.

Maximizing scroll compressor displacement using generalized profile geometry

[C]// Proceedings of International Compressor Engineering Conference Purdue. Indiana, USA: Rau W. Herrick Laboratories Press, 1994: 205-210.

[本文引用: 1]

SHAFFER B R, GROLL E A.

Variable wall thickness scroll geometry modeling with use of a control volume approach

[J]. International Journal of Refrigeration, 2013, 36(7): 1809-1820.

[本文引用: 1]

彭斌, 孙迎.

变截面涡旋压缩机数学模型及试验研究

[J]. 机械工程学报, 2015, 51(14): 185-191.

DOI:10.3901/JME.2015.14.185      [本文引用: 1]

为详细研究变截面涡旋压缩机的性能特点,提出一种圆渐开线、高次曲线和圆弧组合的变截面型线,根据几何模型得到工作腔容积的变化情况。基于能量和质量守恒,充分考虑工作过程中的吸气加热、轴向和径向泄漏、工质与涡旋齿和涡旋盘的传热,构建变截面涡旋压缩机的整体数学模型,通过对数学模型的求解,详细分析实际气体在工作过程中温度、压力和质量随曲轴转角的变化规律。采用研制开发的变截面空气涡旋压缩机建立测试平台,并将模拟计算得到的排气温度、质量流量和轴功率与试验数据进行对比,结果表明,构建的数学模型能够准确描述变截面涡旋压缩机的吸气、压缩及排气全过程,该研究为定量化分析、优化及提升变截面涡旋压缩机的性能提供了有利工具。

PENG Bin,

SUN Ying, Investigation of mathematical modeling and experiment for variable thickness scroll compressor

[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(14): 185-191.

DOI:10.3901/JME.2015.14.185      [本文引用: 1]

In order to investigate performance characteristics of variable thickness scroll compressor, a new profile based on involute of circle, high curve and arc is presented. The change of the working chamber volume with respect to the orbiting angle is derived. A detail mathematical modeling based on energy and mass balance is established. Suction gas heating, radial and flank leakage, heat transfer between the fluid and scroll wraps are considered in the mathematical modeling. Temperature, pressure, and mass of working chamber are investigated by solving the mathematical modeling. The experiment rig for variable thickness scroll compressor is set up. From the comparison of the simulated and measured data, it can be seen that the compressor model predicts the mass flow, discharge temperature and shaft power very well. So the proposed mathematical modeling can accurately describe all the suction, compression and discharge processes for variable thickness scroll compressor. The results provide a strong and useful tool for quantitative analysis, optimization, promotion the performance of variable thickness scroll compressor.

王君, 刘强, 曹晨燕, .

涡旋压缩机全啮合渐变壁厚涡旋齿的设计与分析

[J]. 工程热物理学报, 2018, 39(8): 1713-1717.

[本文引用: 1]

WANG Jun, LIU Qiang, CAO Chenyan, et al.

Design and analysis of completely meshing profile of tapered thickness wrap for scroll compressors

[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2018, 39(8): 1713-1717.

[本文引用: 1]

KOHSOKABE H, TAKEBAYASHI M, KUNUGI Y, et al.

Study on scroll profile based on algebraic spiral for scroll fluid machines

[J]. Transactions of the Japan Society of Refrigerating and Air Conditioning Engineers, 2011, 11(3): 337-347.

[本文引用: 1]

张朋成, 彭斌, 马捷.

一种由代数螺线构成的变截面涡旋机械

[J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 2021, 49(5): 56-61.

[本文引用: 1]

ZHANG Pengcheng, PENG Bin, MA Jie.

A variable thickness scroll machines composed of algebraic spiral

[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2021, 49(5): 56-61.

[本文引用: 1]

WANG W, ZHAO Y, LI Y.

Design and dynamic modeling of variable stiffness joint actuator based on archimedes spiral

[J]. IEEE Access, 2018, 6: 43798-43807.

[本文引用: 1]

QIU H, KUBO A, YUE L Y, et al.

Optimal Archimedes’ spiral interpolation for cutter path generation in NC machining of noncircular contours

[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2008, 36(1/2): 69-82.

[本文引用: 1]

王立存, 陈进, 王旭东, .

基于包络原理的涡旋式滤油机真空泵通用涡旋型线等距曲线研究

[J]. 中国机械工程, 2011, 22(4): 412-415.

[本文引用: 1]

针对基于泛函的涡旋式滤油机真空泵通用涡旋型线的内外壁型线进行了研究,为拓展通用涡旋型线生成方法,研究了圆族包络法生成等距曲线的理论方法,利用圆族包络原理推导了平面曲线生成等距曲线的基本公式。以基于泛函的通用涡旋型线的内外壁涡旋型线生成为例进行了分析,以涡线型线上的点为圆心,以参数h为半径画圆,在固定平面内构成圆族,该圆族两侧的包络线即为涡旋型线的两条等距曲线。给出的生成示例验证了圆族包络原理在通用涡旋型线生成中的有效性。

WANG Licun, CHEN Jin, WANG Xudong, et al.

Research on equidistant curves of general scroll profiles for scroll vacuum pump based on envelope principle

[J]. China Mechanical Engineering, 2011, 22(4): 412-415.

[本文引用: 1]

<div>For developing new creating ways of scroll profiles for</div><div>scroll vacuum pump of oil filter, a theoretical method of creating equidistant curves</div><div>was studied. And the abroad applications of this method were analyzed. Using the circle cluster envelope principle, the fundamental formulas of equidistant curve created by plane curve were deduced. Taking the points of the scroll profile as the centre of a circle,</div><div>and taking parameter h as the radius,circles</div><div>were made and used to construct the circle cluster in the fixed plane. The envelope curve of both sides of the envelope curves were just the two equidistant curves of the scroll profiles. And the correctness and practicability of the method of creating equidistant curves formulas were validated.</div>

陈兵奎, 梁栋, 高艳娥.

齿轮传动共轭曲线原理

[J]. 机械工程学报, 2014, 50(1): 130-136.

[本文引用: 1]

在定义曲线连续相切接触的基础上,提出共轭曲线的概念,给出曲线共轭接触的基本条件。建立共轭曲线的基本理论:计算任意接触角方向的法矢量;论证曲线共轭啮合的充要条件,同时建立曲线沿给定接触角方向的啮合方程;推导共轭曲线及啮合线的通用表达式。分析研究典型曲线——圆柱螺旋线的共轭曲线及其接触性质,揭示不同接触角条件下共轭曲线的啮合关系,并且讨论齿面曲线共轭啮合的特点。研究表明该原理具有一定的通用性可适用于多种齿轮传动类型,同时共轭曲线接触的特点及选择的灵活性能够实现齿轮共轭啮合的最优设计。研究结果为齿轮齿面的构建提供了新方法,并为进一步研究共轭曲线齿轮啮合理论奠定了基础。

CHEN Bingkui, LIANG Dong, GAO Yan’e.

The principle of conjugate curves for gear transmission

[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2014, 50(1): 130-136.

[本文引用: 1]

The concept of conjugate curves is put forward based on the definition of continuous and tangent contact, and the basic conditions of conjugation contact between a pair of conjugate curves are given. The fundamental principle of conjugate curves for gear transmission is provided: The normal vector to arbitrary direction of contact angle is calculated; the meshing equation is derived and the necessary and sufficient conditions of conjugation meshing for these curves are demonstrated simultaneously; the corresponding conjugated curve can be identified and line of action is also deduced with this method. A general conjugation model is therefore established according to the aforementioned theory and the result is demonstrated with parallel axis gearing as well as cylindrical helix. The geometric properties of conjugation in arbitrary contact angle direction are revealed and the characteristics of meshing motion of conjugate curves are discussed. The versatility of the principle and the outstanding contact features become obvious with treating any gear transmission. The freedom of selecting contact curve suggests the possibility of optimal conjugation design. The results provide a new method for the generation of gear tooth profile and lay a solid foundation for the further study of the gear meshing theory of conjugate curves.

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