降低噪音的螺杆式机器的制造方法

降低噪音的螺杆式机器的制造方法
【专利摘要】描述了降低噪音的螺杆式膨胀机，其包括主转子和栅门转子，每个具有“N”型面。转子设计成使得由压力引起的栅门转子上的扭矩与由摩擦阻力引起的栅门转子上的扭矩在相同的方向。还描述了设计呈现降低的噪音的螺杆式机器的方法。该螺杆式机器具有两个或更多个具有“N”型面的转子，且方法包括确定比值r/r1，其中r是主转子齿顶高且r1是齿条圆侧面的半径，且确保在螺杆式机器是螺杆式压缩机的情况下该比值大于1.1，或在螺杆式机器是螺杆式膨胀机的情况下该比值小于或等于1.1。
【专利说明】降低噪音的螺杆式机器
[0001] 本发明通常涉及螺杆式机器（screwmachine)，且更具体地涉及具有降低噪音水平 的螺杆式机器。本发明还涉及用于制造具有降低噪音水平的螺杆式机器的设计原理和方 法，和用于这种机器的转子。
[0002] 最成功的容积式机器之一是多螺杆式机器，其最常见的实施为双螺杆式机器。此 类机器公开于Svenska Rotor Maskiner(SRM)的英国专利号GB 1197432、GB 1503488和GB 2092676 中。
[0003] 螺杆式机器可用作压缩机或膨胀机。容积式压缩机通常用于供应用于一般工业应 用的压缩空气，诸如电力空气操作的建筑机械，同时在发电中使用容积式膨胀机日益流行。 用作压缩机的螺杆式机器在本说明书中将被简称为螺杆式压缩机，同时用作膨胀机的螺杆 式机器在本文中将被简称为螺杆式膨胀机。
[0004] 螺杆式压缩机和螺杆式膨胀机包括具有至少两个相交的孔的壳体。孔容纳相应的 啮合的螺旋波瓣式转子，其在固定的壳体内逆旋转。壳体以极其紧密贴合的方式完全地包 围转子。孔的中央纵向轴线是成对共面的，并且通常平行。阳（或"主"）转子和阴（或"栅 门"）转子在轴承上被安装到壳体上，以绕其各自的轴线旋转，其中每个线与在壳体中孔轴 线中相应的一个相一致。
[0005] 转子通常由金属制成，诸如低碳钢，但它们也可由高速钢制成。转子也可能由陶瓷 材料制成。通常，如果由金属制成，它们被机械加工，但是可替代地，它们可被研磨或铸造。
[0006] 每个转子具有螺旋刃带（helical land)，其与至少一个其它的转子的刃带之间的 螺旋凹槽啮合。啮合的转子有效地形成一对或更多对螺旋齿轮，其中其波瓣（lobe)充当 齿。在横截面中观察，所述或每个阳转子具有一组对应于刃带的波瓣且从其节圆向外突出。 同样在横截面中观察，所述或每个阴转子具有一组从其节圆向内延伸的凹陷，且对应于阴 转子的凹槽。阳转子的刃带和凹槽的数量可与阴转子的刃带和凹槽的数量不同。
[0007] 转子型面的现有技术的实例在附图的图1(a)至1(d)和2(a)至2(d)中示出且将 在后面更详细地描述。
[0008] 螺杆式压缩机或螺杆式膨胀机的操作原理以在三维空间中的体积变化为基础。每 个转子的任何两个连续的波瓣和围绕的壳体之间的空间形成独立的工作腔室。由于两个转 子之间的接触线的位移，这个腔室的体积可随着旋转前进而变化。当波瓣之间的整个长度 通过转子之间的啮合接触畅通无阻时，腔室的容积为最大。相反地，当在端面处在转子之间 存在完全啮合接触时，腔室的容积为最小，具有接近零的值。
[0009] 考虑螺杆式膨胀机的实例，待膨胀的流体通过形成高压或入口端口的开口进入螺 杆式膨胀机，该开口主要位于壳体的前平面中。从而，容许的流体填充在波瓣之间限定的腔 室。随着旋转前进和转子之间的接触线后退，每个腔室中受限制的容积增加。在入口端口 被切断的点处，填充或进入过程终止，且随着流体向下移动通过螺杆式膨胀机，进一步的旋 转导致流体膨胀。
[0010] 进一步向下，在阳转子和阴转子波瓣开始重新接合的点处，露出壳体中的低压或 排出端口。该端口随着进一步的旋转降低波瓣和壳体之间受限制的流体的体积而进一步打 开。这导致流体通过排放端口在大致恒定的压力下排放。该过程继续进行，直到受限制的 容积减小到几乎为零，且波瓣之间受限制的基本上所有流体被排出。
[0011] 然后，对每个腔室重复该过程。因此，依赖于阳转子和阴转子中波瓣的数量，和因 此的波瓣之间的腔室的数量，存在在每个旋转中实现的填充、膨胀和排放过程的连续。螺杆 式膨胀机的一个转子通常连接到用于发电的发电机。
[0012] 螺杆式压缩机基本上与螺杆式膨胀机反向操作。例如，如果螺杆式膨胀机的转子 以相反的方向转动（例如，通过如马达操作发电机），然后待压缩的流体将通过低压端口被 吸入，且被压缩的流体将通过高压端口被驱逐。
[0013] 随着转子转动，波瓣的啮合动作基本上与螺旋齿轮的啮合动作相同。此外，然而， 波瓣的形状必须使得在任意接触位置，在转子之间和在转子与壳体之间形成密封线，以防 止连续的腔室之间的内部泄漏。进一步的要求是波瓣之间的腔室应尽可能大，以便最大化 每转的流体位移。另外，转子之间的接触力应该低，以最小化内部的摩擦损失且最小化磨 损。
[0014] 由于制造限制规定了转子之间和转子与壳体之间存在小间隙，所以转子型面是在 确定螺杆式机器的流量和效率中最重要的特征。多年来，几种转子型面都试过了，取得了不 同程度的成功。
[0015] 最早的螺杆式机器使用了非常简单的对称转子型面，如图1(a)中所示。在横截面 中观察，阳转子10包括绕节圆等角间隔开的部分圆形的波瓣12,其半径的中心被定位在节 圆14。阴转子16的型面利用一组相等的部分圆形的凹陷18简单地反映了这点。诸如这种 的对称的转子型面具有非常大的吹孔面积，其产生显著的内部泄漏。这不包括来自涉及高 压比值或甚至中压比值的任何应用的对称转子型面。
[0016] 为了解决这个问题，SRM引入其"A"型面，在图1(b)中所示且在上述的英国专利 号GB 1197432、GB 1503488和GB 2092676中以各种形式公开。"A"型面大大降低内部泄 漏，且从而使螺杆式压缩机实现与往复机同阶的效率。在图1(c)中所示的Cyclon型面甚 至进一步减少泄漏，但以弱化阴转子16的波瓣为代价。这具有在高压力差下阴转子16变 形的风险，并使其难以制造。在图1(d)所示的Hyper型面试图通过加强阴转子16来克服 此问题。
[0017] 在所有的上述现有技术的转子型面中，啮合的转子之间的相对运动是旋转和滑动 的组合。
[0018] 在此背景下，本 申请人:开发了"N"转子型面，如在其公布为WO 97/43550的国际专 利申请中公开的。WO 97/43550的关键内容转载如下。在本说明书中的参考"N"转子型面 涉及在WO 97/43550描述和限定以及以下转载的本发明的型面。
[0019] 该"N"转子型面的特征在于，如在横截面中观察，阳转子的节圆的向外突出的波瓣 的至少那些部分的型面和阴转子的节圆的向内延伸的至少凹陷的型面由相同的齿条构造 (rack formation)产生。后者关于阳转子轴线在一个方向上且关于阴转子轴线在相反的方 向上弯曲，产生转子的更高压力侧面的齿条的部分由转子之间的转子共轭作用产生。
[0020] 有利的是，齿条的一部分，优选地形成转子波瓣的更高压力侧面的部分，具有摆线 形状。可替代地，该部分可被成形为广义抛物线，例如以下形式：ax+b/= 1。
[0021] 通常地，阳转子的凹槽的底部位于节圆内部，作为"齿根"部分，且阴转子的刃带的 尖端向其节圆外部延伸，作为"齿顶"部分。优选地，还通过齿条构造产生这些齿根和齿顶 部分。
[0022] 在图2 (a)的双螺杆式机器的概略横截面中示出的主或阳转子1和栅门或阴转子2 在其节圆P1I2上关于它们的中心O 1和O2滚动通过各自的角度Ψ，且τ =Z1A2U/ = Ψ/ i〇
[0023] 节圆P具有与各自转子上的刃带和凹槽的数量成比例的半径。
[0024] 如果弧被界定在任一主转子或栅门转子上，作为角度参数Φ的任意函数，且用下 标d表不：
[0025] Xd = Xd ( ^) (1)
[0026] yd = yd (Φ) (2)
[0027] 在其它转子上相应的弧为Φ和Ψ两者的函数：
[0028] χ = χ(Φ, ψ) = -acos ( Ψ /i) +xdcosk Ψ +ydsink Ψ (3)
[0029] y = y ( φ , ψ) = asin ( Ψ /i) -xdsink Ψ +ydcosk Ψ (4)
[0030] Ψ是主转子的旋转角度,对于该旋转角度,初级和次级弧具有接触点。这个角度满 足 Sakun 在 Vintovie kompressori，MashgizLeningrad, 1960 中描述的共辄条件：
[0031 ] ( δ xd/ δ φ ) ( δ yd/ δ ψ ) - ( δ xd/ δ ψ ) ( δ yd/ δ φ ) = 〇 (5)
[0032] 这是所有"d"曲线的包络线的微分方程。其展开形式为：
[0033] ( δ yd/ δ xd) ((a/i) sin Ψ ~kyd) - (- (a/i) cos Ψ +kxd) = 0 (6)
[0034] 这可表示为sin Ψ的二次方程。虽然其可解析求解，但是由于其混合根，推荐其数 值解。一旦确定，Ψ插在（3)和（4)，以获得在相对的转子上的共轭曲线。此程序需要仅一 个给定的弧的定义。其它弧总是由通用程序找到。
[0035] 这些方程是有效的，即使它们的坐标系被独立于转子定义。因此，在不参考转子的 情况下指定所有"d"曲线是可能的。此类布置使得一些曲线以更简单的数学形式表达，此 夕卜，可简化曲线生成程序。
[0036] 这种类型的特殊的坐标系是齿条（无限半径的转子）坐标系，图2(b)中如R表示， 其示出齿条的一个单元，用于产生在图2(a)中示出的转子的型面。然后，在齿条上的弧被 定义为参数的任意函数：
[0037] Xd = Xd ( ^) (7)
[0038] yd = yd (Φ) (8)
[0039] 在转子上的次级弧来源于此，作为Φ和Ψ两者的函数
[0040] X = X ( Φ , Ψ) = xdcos Ψ - (yd-rw Ψ) sin Ψ (9)
[0041] y = y ( Φ，Ψ)+xdsin ￥ + (yd_rw Ψ) cos Ψ (10)
[0042] Ψ表示当投影给定弧时转子的旋转角度，界定接触点。这个角度满足条件（5)，其 是：
[0043] (dyd/dxd) (rw Ψ -yd) - (rw~xd) = 0 (11)
[0044] 然后，明确的解Ψ插入到（9)和（10)以找到转子上的共轭弧。
[0045] 图2(c)示出了图2(b)的齿条构造与图2(a)中所示的转子的关系，且示出了齿条 和由齿条产生的转子。图2(d)示出了通过比较的方式重叠在现有技术的转子对上的在图 2(c)所示的转子的轮廓。
[0046] 无论何处给出曲线，其方便的形式可以是：
[0047] axl+ by3 = 1 (12)
[0048] 其是"一般圆"的曲线。对于p = q = 2和a = b = 1/r，其是一个圆。不相等的 a和b将为椭圆；a和b符号相反给出双曲线；且p = 1和q = 2将给出抛物线。
[0049] 除了利用一个坐标系定义所有给定的曲线的便利性之外，齿条生产与转子坐标系 相比提供了两个优点：a)齿条型面代表与其它转子相比的最短接触路径，这意味着，从齿 条的点将投影到转子上而没有任何重叠或其它缺陷；b)在该齿条上的直线将投影到转子 上，作为渐开线。
[0050] 为了最小化对转子型面的高压侧的吹孔区域，型面通常由两个转子的共轭作用产 生，其削弱了它们的高压侧。实践中广泛使用：在GB 1197432中，使用在主转子和栅门转子 上的奇异点；在GB 2092676和GB 2112460中使用圆；在GB 2106186中使用椭圆；且在EP 0166531中使用抛物线。适当的削弱是以前没有直接从齿条上实现的。结果发现，在可精确 地替换转子共轭作用的齿条上只存在一个解析曲线。这优选地是摆线，其被削弱为主转子 上的外摆线和为栅门转子上的内摆线。这与由奇异点（其产生两个转子上的外摆线）产生 的削弱形成对比。通过其节圆内的栅门转子的外径的相当大的减少，此方面的缺陷通常是 最小化的。这减少了吹孔面积，但也降低了生产能力。
[0051] 共轭作用是当一个转子上的点（或曲线上的点）在旋转期间切断另一个转子上的 其（或它们的）路径时的一个过程。如果在同一时间存在两个或更多个共同接触点，则削 弱发生，其在型面中产生" 口袋"。当相当大的滑动发生时，如果小的曲线部分（或点）产生 长的曲线部分，其通常会发生。
[0052] 该"N"转子型面克服这个缺陷，因为齿条的高压部分是由削弱在齿条上的适当曲 线的转子共轭作用而生成的。该齿条稍后由通常的齿条产生过程用于主转子和栅门转子两 者的型面。
[0053] 下面是设计用于由组合程序获得的空气、常用的制冷剂和许多过程气体的有效压 缩的齿条生成型面系列的简单转子波瓣形状的详细描述。此型面包含在公开文献中给出的 现代化螺杆式转子型面的几乎所有元素，但其特征提供了另外的细化和优化的坚实基础。
[0054] 在这里相对于齿条坐标系总结了齿条上的所有初级弧的坐标。
[0055] 该型面的波瓣分为几个弧。
[0056] 型面弧之间的分隔用大写字母表示，且每个弧单独定义，如图2(c)所示。
[0057] A-B段是在齿条上的类型axg+ by^= 1的一般弧，其中P = 0. 43和q = 1。
[0058] B-C段是在齿条上的直线，p = q = 1。
[0059] C-D段是齿条上的圆弧，p = q = 2, a = b。
[0060] D-E段是齿条上的直线。
[0061] E-F段是齿条上的圆弧，p = q = 2, a = b。
[0062] F-G段是直线。
[0063] G-H段是弧G2-H2的削弱，该弧是主转子上的类型ax》Dyl= 1的一般弧，p = l，q = 0· 75。
[0064] 齿条上的H-A段是弧A1-H1的削弱，该弧是主转子上的类型ax> by:!= 1的一般弧， p = 1，q = 0· 25。
[0065] 在A、. . . H的每个结合点，相邻段具有共同的切线。
[0066] 通过与方程（7)到（11)相反的过程获得齿条坐标。
[0067] 结果是，获得了齿条曲线E-H-A，且其在图2 (c)示出。
[0068] 图2 (d)示出由该齿条程序产生的主转子和栅门转子3、4的型面，其叠加在根据GB 2092676以5/7配置产生的相应转子的众所周知的型面5、6上。
[0069] 利用相同的中心之间的距离和相同的转子直径，齿条生成型面得到2. 7%的位移 增加，而阴转子的波瓣更厚且因而更强。
[0070] 在图2 (c)所示的齿条的修改中，GH和HA段由形式为：y = RtjCos τ -Rp，y = RtjSin τ -Rp τ，的摆线的连续段GHA形成，其中R。为主转子（且因此其孔）的外半径，而Rp 为主转子的节圆半径。
[0071] AB、BC、CD、DE、EF 和 FG 段都由以上等式（12)生成。对于 AB，a = b，p = 0.43， q = 1。对于其它部分，a = b = 1/r，且p = q = 2。p和q的值可在±10%内变化。对于 BC、DE和FG段，r大于主转子的节圆半径，且优选地为无穷大，使得每个此类种段是直线。 当p = q = 2时，⑶和EF段都是圆弧，其曲率a = b。
[0072] 上述"N"转子型面基于传动装置的数学理论。因此，与前面参照图1(a)至1(d) 描述的任何转子型面不同，转子之间的相对运动非常接近纯滚动：转子之间的接触带位于 非常靠近其节圆的位置。
[0073] "N"转子型面具有优于其它转子型面的许多附加优点，其包括低扭矩传递和因此 转子之间小的接触力、强阴转子、大的位移和导致低泄漏的短的密封线。整体的其使用提高 了螺杆式膨胀机的绝热效率，尤其是在较低的尖端速度下，其中在当前使用中超过其它转 子型面高达10%的收益已被记录。
[0074] 螺杆式机器可能是"无油的"或"油冷的"。在无油机器中，转子的螺旋构造是非润 滑的。因此，外部啮合"定时"齿轮必须被提供以管理和同步转子的相对运动。转子之间的 同步扭矩的传递是经由定时齿轮实现的，因此其避免了转子的啮合螺旋构造之间的直接接 触。以这种方式，定时齿轮允许转子的螺旋构造为无润滑剂的。在油冷机器中，外部定时齿 轮可省略，使得转子的同步通过它们的啮合关系来唯一地决定。这必然意味着经由它们的 啮合螺旋构造从一个转子到另一个转子的同步扭矩的一些传递。在这种情况下，转子的螺 旋构造必须是润滑的，以避免在转子之间硬接触，及随之发生的磨损和可能的咬粘。
[0075] 油冷机器依赖于在工作流体中携带的油，以润滑转子的螺旋构造和它们的轴承， 且以密封转子之间以及转子和周围壳体之间的间隙。其需要外部轴密封但不需要内部密 封，且在机械设计中是简单的。因此，制造成本低，紧凑且高效。
[0076] 与现有的螺杆式机器相关的一个问题是噪音。螺杆式机器中产生的噪音的显著部 分源于涉及其活动部件的接触，特别是转子、齿轮和轴承。这种机器噪音由于压力和惯性扭 矩连同由周向地作用在驱动的转子上的油阻力引起的扭矩一起而由转子之间的接触引起。 其也由于因径向和轴向压力和惯性力引起的转子轴和轴承之间的接触。这些力应尽可能一 致，以最小化噪音。不幸的是，由于压力负载的周期性质，产生转子接触力的径向力和轴向 力以及转子扭矩是不均匀的。此外，在转子制造和压缩机组件中的缺陷显著地有助于转子 的非均匀运动，这导致非均匀的接触力。
[0077] 如果接触力强度变化，转子"振动"将发生。当转子仍与彼此接触时，这种噪音是由 转子产生的。然而，如果转子接触瞬间丢失且然后重建，这可产生严重的噪音，这被称为转 子"格格声"。转子之间的接触的损失由与转子之间的点接触组合的制造和装配缺陷引起， 或由驱动的转子扭矩的信号（反转）变化引起。
[0078] 随着环境保护法变得更加严格，减少来自所有形式的机械的噪音水平的要求增 力口，且因此来自螺杆式机器的无声或低噪音水平的要求变得更加显著。尽管以前已经做出 减少螺杆式机器的噪音水平的尝试，但是一般的优化方法是重复的试验和改进过程。所得 到的转子普遍遭受效率损失，且因此希望寻求以最小化性能损失的方式产生降低噪音的型 面的手段。
[0079] 降低螺杆式压缩机噪音的科学方法已经被 申请人:开发，且在Stostic等人 之前出版的题为"Development of a Rotor Profile for Silent Screw Compressor Operation无声螺杆式压缩机操作的转子型面的发展）"的文章中描述。该文章的内容在 下面将参考图3 (a)-(c)和图4(a)和4(b)被讨论。
[0080] 参照图3 (a)-3(C)，螺杆式压缩机的转子经受高压负载。对于任何瞬时旋转角q， 压力Ρ(θ)在任何横截面处形成径向力和扭转力。压力P垂直于线AB而作用于相应的波 瓣间（interlobe)，其中A和B在转子之间的密封线上或在转子尖端上。因此，它们的位置 完全由转子几何形状界定。
[0081] 在图3(a)中所示的位置，在转子之间不存在接触。由于A和B在圆上，总力F1和 F2朝向转子轴线作用且是纯粹径向的。因此在此位置不存在由压力引起的扭矩。在图3(b) 中所示的位置，在A处在转子之间仅存在一个接触点。力F 1和F2是偏心的且具有径向和周 向分量。周向分量引起压力扭矩。由于力的位置，在栅门转子上的扭矩显著小于在主转子 上的扭矩。在图3(c)所示的位置，两个接触点在转子上，对于两个转子来说，总力和径向力 相等。这些也引起扭矩，如在图3(b)中。坐标系在主转子的中心具有其x，y原点，且X轴 平行于转子中心O 1和O2之间的线。
[0082] 径向力分量是：
【权利要求】
1. 一种螺杆式膨胀机，包括主转子和栅门转子，所述主转子和栅门转子每个具有如本 文所定义的"N"型面，其中所述转子被设计成使得由压力引起的所述栅门转子上的扭矩与 由摩擦阻力引起的所述栅门转子上的扭矩在相同的方向。
2. 根据权利要求1所述的螺杆式膨胀机，其中所述转子被设计成使得在所述螺杆式膨 胀机的操作期间，所述转子之间的接触发生在转子平侧面处。
3. 根据权利要求1或权利要求2所述的螺杆式膨胀机，其中所述转子从齿条构造产生， 其中比值r/ri小于或等于1. 1，其中r是主转子齿顶高且ri是齿条圆侧面的半径。
4. 一种设计呈现降低的噪音特性的螺杆式机器的方法，所述螺杆式机器包括两个或更 多个具有如本文定义的"N"型面的转子，所述"N"型面从齿条构造产生，其中所述方法包 括：确定比值r/ri，其中r是主转子齿顶高且ri是齿条圆侧面的半径，以及确保在所述螺杆 式机器是螺杆式压缩机的情况下该比值大于1. 1，或在所述螺杆式机器是螺杆式膨胀机的 情况下该比值小于或等于1.1。
5. -种制造螺杆式机器的方法，所述螺杆式机器呈现降低的噪音特性且具有两个或更 多个具有如本文定义的"N"型面的转子，所述"N"型面从齿条构造产生，其中所述方法包 括：确定比值r/ri，其中r是主转子齿顶高且ri是齿条圆侧面的半径，以及确保在所述螺杆 式机器是螺杆式压缩机的情况下该比值大于1. 1，或在所述螺杆式机器是螺杆式膨胀机的 情况下该比值小于或等于1. 1。
6. -种螺杆式机器，其根据权利要求4所述的方法设计或根据权利要求5所述的方法 制造。
7. -种发电机，包括：权利要求1到3中任一项所述的螺杆式膨胀机，或根据权利要求 4所述的方法设计的或根据权利要求5所述的方法制造的螺杆式膨胀机。
【文档编号】F04C18/16GK104379936SQ201380032627
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年4月3日 优先权日:2012年4月19日
【发明者】尼古拉·鲁迪·斯托西奇 申请人:城市大学