专利名称：为减少泄漏面积的间隙分布的制作方法
一对共轭螺旋转子的轮廓设计从零间隙轮廓开始，这样满足所有共轭性要求，在阳与阴转子之间在任何共轭点均没有间隙。然后该设计经修改以包括一形成间隙轮廓的间隙。该种修改是在任何一给定点沿着垂直于转子轮廓的方向进行的和可从点到点改变。
提供一间隙的需求是许多因素的结果，这些因素包括由于在压缩过程中气体被加热的原因使转子的温度上升；由于在压缩过程中形成的压力负荷使转子发生挠曲；在支撑轴承结构中的公差和诸转子中的机加工公差，它们有时会导致诸转子彼此间太靠近以致于能彼此干涉；以及，诸转子本身的机加工公差，它们也能导致彼此干涉。叠加在这些因素之上的是随着从抽吸到排放过程中压力和温度的升高出现了压力和温度梯度。
为了适应这些因素，在制造诸转子前修改了零间隙轮廓坐标。如制造了零间隙轮廓并将它放入一操作的压缩机中，由于上述有些或全部原因将导致诸转子间干涉，如该压缩机还能操作的话，将造成过分的磨损和较高的轴承负荷。由于一零间隙轮廓通过诸转子的啮合区的密封线没有泄漏面积，间隙轮廓就以减小磨损和轴承负荷为代价引起泄漏。通过该密封线的间隙区的泄漏将直接从压缩腔流回到该压缩机吸入口，如此，将使该泄漏比起例如会在顺序的诸压缩腔之间发生的、通过齿顶间隙或通过吹气孔的泄漏还严重。
在提供按照本发明所传授的一间隙轮廓时，起先考虑了数个因素。关于热增长，需要根据转子的尺寸和材料和压缩机的设计操作温度估计。相关的间隙应当导致发生最大的期望的热增长时在转子之间没有不希望的干涉。关于挠曲，它是诸转子的和支撑轴承结构的负荷和刚度特性的一个函数。在转子上的压力负荷是由压缩机使用的操作特性确定的。转子的刚度特性是由它们的尺寸和材料以及支撑机构确定的。选择相关的间隙时应使在最大挠曲处无不希望的接触。最后，诸转子的相关的间隙由相应的诸转子、支撑机构的制造工艺的性能和定位特点确定。选择相关的间隙时应使在最大的公差偏差时无不希望的接触。在确定诸转子之间将会产生的间隙的总量时考虑了所有这些因素。其结果是，能为诸选择的关键点确定通常最大的间隙要求。与此同时，还有诸关键区，如需要零间隙或最小间隙的接触带和侧隙区。能为这些被选择的关键点确定通常最小的间隙要求。
了解了诸间隙要求后，按照本发明所传授的下一步是实现一个被减小了的泄漏区，同时还有所需的间隙以制造功能性螺旋转子轮廓。
在诸零间隙转子上选择两点，如在尖端部上或在尖端部附近的一点和在该转子的齿根上或该齿根附近的又一点，能根据制造公差、挠曲和热增长等的要求，在这些点确定功能性的螺旋转子轮廓的间隙要求。
有转子的某些区段，如接触带，在那里零间隙被保持在两转子之间。限定该接触带的该转子区段是这样一个区域，在此区域两转子之间传递所需要的转矩。这些区段位于两转子的节圆附近，在该位置两转子的转速相等，导致滚动接触，因此磨损较小。当接触开始离开节圆而移动时，呈现较多的滑动接触而不是纯粹的滚动接触，如接触带离开节圆则导致磨损较多。
还有转子的其它诸区段，如侧隙区，其一控制的间隙在允许公差、偏斜等的影响之后被保持住。侧隙区在螺纹转子突瓣的与接触带相对的一侧位于节圆的附近。侧隙区的受控制的间隙防止两转子之间的配合太紧，否则会导致粘合和磨损，而与此同时限制了诸转子有用的空间，以致通过该侧隙时彼此撞击，这将导致有害的噪音和/或振动。
四个区段，即转子齿顶、齿根、接触带和侧隙区一起组成了诸部分，对于这每个部分分别确立一具体的、很好限定的间隙或间隙范围。通常，在这些位置之间将是间隙的线性分布。能使用二次、三次或较高次分布以致变诸间隙，同时可减小由诸公差限定的泄漏面积，这是由于这样的一些分布比线性分布起先较快地减小了诸间隙，而在该两点之间在轮廓的其余部分上留下较小的间隙。应当看到间隙的分布应当平滑以适应诸制造工艺，而不能有台阶出现。
本发明的一目的是提供功较小泄漏区的功能性螺旋转子轮廓。
本发明的另一目的是减少压缩机噪音和振动。
本发明的又一目的是较清晰地限定接触带。
本发明的再一目的是提供间隙分布，使接触带靠近于节圆，但与该圆之间由较大的间隙而互不接触，以致即使考虑了公差和挠曲后也不发生滑动。这些目的和其他在以下将会变得很清楚的目的均由本发明实现。
基本上，通过确定在轮廓上诸间隔开的点处的间隙要求和使用一非线性分布变化相邻点之间的间隙分布，修改诸零间隙螺旋转子轮廓。此外，当在诸转子里放入间隙时，在保持靠近于节圆的接触带里在诸转子间保持为零间隙。
图1表示了在一横向或径向平面里看见的一转子对；图2是表示诸转子间的间隙与啮合长度或密封长度间的关系的图表；图3对应于图2的部分，表示阳转子上的间隙值；
图4对应于图2的部分，表示阴转子上的间隙值；图5表示对阳转子的修改；图6表示对阴转子的修改。
在图1中，编号10总的表示一螺纹机，如一螺旋压缩机。螺纹机10有一外壳12，在其内有叠置的孔12-1和12-2。阴转子14有一节圆PF，并位于孔12-1内。阳转子16有一节圆PM，并位于孔12-2内。由点X和Y表示的两轴线垂直于图1的平面并彼此平行，它两之间的间距等于阴转子14的节圆PF的半径RPF和阳转子16的节圆PM的半径RPM之和。由点X表示的轴线是阴转子14的转动轴线和孔12-1的中心，孔12-1的直径大致相当于阴转子14的齿顶圆直径TF。类似地，由点Y表示的轴线是阳转子16的转动轴线和孔12-2的中心，孔12-2的直径大致相当于阳转子16的齿顶圆直径TM。
如图所示，阴转子14有六个用共同所在的点P和U表示的齿尖，它们由六个各具有用R表示的底部的槽分隔，而阳转子16有五个用点M表示的齿尖，它们由五个各具有用共同所在的点O和K表示的底部的槽分隔。因此，转子16的转速将是转子14的转速的6/5或120％。当两转子如此转动时，在各自节圆上的任何两点的线速度是相等的，这两转子就被说成是以相同的节圆速度转动。无论阴转子14或阳转子16可被连接于一原动机(未图示)，被用作驱动转子。也可用其他数量的阴转子和阳转子突瓣和沟槽的组合。
在图2-4中，实线A-B-C-D-E-F-G-H-I或诸线段表示在一组装的成对的共轭转子之间的已有技术间隙，该实线从在一突瓣上的一点A延伸到在一相邻的突瓣的一对应点I。在图2中，由在实线A-B-C-D-E-F-G-H-I之下方的面积代表的间隙表示了泄漏面积。可注意到已有技术的线图由一系列直线段组成，是诸间隙的线性分布的反映。该线图里的B-C部分是在零间隙线段上，代表了需要零间隙的接触带。该线图里的第二部分F-G大致是一均匀的间隙，代表侧隙区，该侧隙区是动力逆转时的传动接触的面积或在一种振动或震颤状态下的间歇接触的面积。当逆转是压力均衡的结果，如在停机时，用接触带保持接触。
图2中的虚线A-A’-B、C-C’-D、E-E’-F和G-G’-H代表使用了本发明的传授的修改的间隙分布。可清楚地看到诸虚线表示泄漏面积的减小，这将对应于压缩机效率的提高。也可注意到本发明提供了一种在与已有技术共有的诸点之间的交替的间隙分布，接触带B-C、阳齿尖/阴齿根D-E、侧隙区F-G和阴齿尖/阳齿根H-I对于已有技术和本发明名义上是相同的。
可看出图2表示了两个转子之间的间隙分布。应当注意的是图2-4的水平轴线表示沿着该突瓣或转子轮廓的线性距离，即好象您握住每一端并“将它朝外拉直”。当诸间隙位于两转子上时，对于诸段间隙，可从一个转子分解两转子间的间隙。图3和4分别表示图2中的由阳、阴转子提供的间隙部分。图5、6分别图示为了达到图3和4的间隙而对零间隙轮廓所作的修改。具体说，在图5中，实线轮廓K-L-M-N-O表示阳转子的零间隙轮廓。虚线段K’-L和N-O’分别表示对阳转子的间隙轮廓修改，该修改按照本发明的传授和对应于图3的虚线段A-A’-B和G-G’-H。类似地，在图6中，实线轮廓线P-Q-R-S-T表示阴转子的零间隙轮廓。虚线段Q-R’-S表示按照本发明的传授对阴转子的间隙轮廓修改。
在详细看图2，螺旋转子间隙分布开始于在四个关键区规定的间隙，即(1)由D-E表示的阳齿尖/阴齿根；(2)由F-G表示的侧隙区；(3)由H-I表示的阴齿尖/阳齿根；以及(4)始终具有零间隙的接触带B-C。在审阅图2时将注意到对于已有技术轮廓和本发明的轮廓，在四个关键区的间隙是相等的。对诸间隙的限定包括对轮廓的界限的规定。规定的诸间隙部分的端部或分界点，如在图2中限定的，表示了必须连接的诸固定点。对于已有技术间隙，在由规定的诸间隙限定的诸端点之间规定了一线性分布，即，在图2中的诸相邻点之间划定一直线。
按照本发明的传授，用诸曲线取代诸直线以连接诸规定的间隙区。这些曲线可为二次曲线、三次曲线、正弦曲线或其它高次曲线。选择这些曲线和它们的特性用的具体的准则或规则包括第一，在间隙为最高的、在齿尖/齿根的附近处，曲线应当首先迅速“下降”如一条垂悬线一样，使迅速减小该间隙，以免在带有类似高间隙的该齿尖/齿根附近有宽大的区域。下降速率将比一直线分布的更快或更陡。
第二，该曲线应当开始在某间隙值处拉平，这间隙值在制造时是可适当控制的，如在图2中的点A’和C’的附近。换句话说，它的值将受制造公差最严重地影响。对“陡斜度”下定义是由通过该表面上的一点的径向直线与该表面之间的夹角所表示的，此角度较小则“较陡”；对“平坦度”下定义是由该表面对通过此表面上的一点的径向线的垂直程度所表示的，较为垂直的表面则“较浅薄(shallower)”，在这方面，突瓣表面的斜度较陡，与平齿顶和齿根区相比转子挠曲将导致操作间隙的较小的变化。所以，在突瓣表面的较陡的部分挠曲和热效应不是很重要的。与一线性分布相比，在这一区里的间隙的减小速率将变得较平缓。当对点A’和C’区(这里的虚线近似与水平线平行)里的实线和虚线进行比较时，图2清楚地表示了这情况。
第三，曲线A’-B接近接触带B-C，间隙应再次缩小，在它与接触带B-C相交之前迅速地变化(如图2清楚所示)。这样就使接触带B-C被清楚地限定。在这多少是一种可检查的手段之时，较重要的是它防止在接触带B-C之外偶然发生的接触。在接触带B-C处间隙变化不太迅速的线性分布情况下，正常的制造公差能使接触带B-C附近的诸区域有时为相同的值，或较高些，如此也有接触。由于在此的滑动速度较高，它导致有可能发生较大的磨损。
第四，在尖齿根部与接触带B-C之间的间隙曲线A-A’-B和C-C’-D的性能导致比传统的直线更为复杂的S形或者甚至是二次曲线。这S形曲线可由两段不同的二次曲线或单独一段较高次曲线组成。
第五，当曲线接近侧隙区F-G时，允许有变化较缓慢的较小的间隙，虚线E-E’-F和G-G’-H相对于水平轴线近似与F-G平行。在侧隙区F-G里的接触是间断的，当它发生时，其受力不大，这与接触带B-C的情况不同。此时，一条简单的二次曲线，或等同曲线是可以接受的，而且，通过以一浅斜度将间隙曲线处于一较低值的长度延伸，用于使间隙减到最小，这样泄漏也减至最小。需注意到图3和4里的虚线段F-G一起表示出在点F处的所有的间隙是在阴转子上，而在点G处的所有的间隙是在阳转子上，而在它俩之间的区域里是一线性分布。
第六，最终的目的是在全部啮合区达到总的间隙公布。在任何一点或区段，间隙可建立到阳转子16或阴转子14突瓣几何形状中。零间隙轮廓通常以完整的齿顶圆和齿根圆直径设计，如90毫米和104毫米。参阅图5和6，阳转子齿顶圆是TM，阳转子节圆是PM，阳转子齿根圆是RM，阴转子齿顶圆是TF，阴转子节圆是PF，阴转子齿根圆是RF。齿顶圆TM和TF的直径较容易控制和检查，它们的标定值是确定转子孔直径尺寸和轴承孔校准技术要求的基础。如此，就能较方便地按设计的保持齿顶圆TM和TF的直径，并方便于按照齿根圆RM和RF所规定的引入转子根部的公差。为此，如图3和4表示的，通常在阳与阴转子之间划分诸间隙区，使附加的公差设在各转子的根部，即在转子节圆PM和阴转子节圆PF内。所以，位于各节圆PM和PF之外的转子16和14的齿顶大致保留了原始的零间隙轮廓。
现在看图5，可看到由虚线K’-L和N-O’限定的间隙轮廓完全落在阳转子节圆PM内，L-M-N是一零间隙轮廓。类似在图6中，也可看到由虚线Q-R’-S限定的间隙轮廓完全位于阴转子节圆PF之内，实线P-Q和S-T-U为零间隙轮廓。
权利要求
1.一对共轭啮合的转子(14，16)，每个所述转子具有多个突瓣，该突瓣包括螺旋形齿顶(P，U，M)和中间槽(R，O，K)，并适于在一螺旋转子机器(10)的一工作空间内围绕平行的轴线转动，每个所述转子具有一齿顶圆(TF，TM)、一节圆(PF，PM)和一齿根圆(R)，一个所述转子是一这样形成的阴转子(14)，即所述阴转子的每个所述突瓣的主要部分位于所述阴转子的所述节圆内，另一转子(16)是一这样形成的阳转子(16)，即所述阳转子的每个所述突瓣的主要部分位于所述阳转子的所述节圆之外，每个转子的诸所述齿顶沿着另一所述转子的诸所述槽引进，以在一对所述转子之间形成一连续的密封，两所述转子通过位于至少靠近每个所述转子的所述节圆之处的一接触带(B-C)彼此驱动啮合，两所述转子以一恒定的节圆速度转动，在该对所述转子之间的一运转间隙(A-A’-B，C-C’-D，E-E’-F，G-G’-H)的特点在于它是由当两所述转子以一恒定的节圆速度转动时，在该对所述转子上在它们最接近的诸点处在诸共轭啮合点之间的诸间隙来表示，所述运转间隙位于两所述转子上的一对配合区段之间，该两区段从至少靠近于一所述转子的所述节圆的一点延伸到靠近于该所述转子的所述齿顶圆的一点，和从至少靠近于另一所述转子的所述节圆的一点延伸到靠近于该另一所述转子的齿根圆的一点，所述运转间隙当沿着在一径向平面里的诸突瓣表面测量时是变化的，在诸所述配合区段靠近于各自的齿顶圆和齿根圆时所述运转间隙较大，在诸所述啮合区段靠近于各自的诸节圆时所述运转间隙较小，所述的可变性的特点在于当诸所述啮合区段靠近于各自的齿顶圆和齿根圆时变化较快，而当诸所述啮合区段靠近于各自的诸节圆时变化较小，从而减少了泄漏。
2.按照权利要求1的一对啮合转子，其特征在于，诸所述啮合区段在所述接触带和所述阳转子节圆和所述阴转子齿根圆(C’-D)之间延伸。
3.按照权利要求2的一对啮合转子，其特征在于，所述运转间隙变化得使具有一“S”形状，从而，在诸所述啮合区段(C’-D)与所述接触带(C)之间连结的一对小配合区段(C-C’)里接近所述接触带(C)处的所述运转间隙变化较快，而在诸所述配合区段里接近诸所述啮合区段(在C’的附近和在C’处)处变化较慢些。
4.按照权利要求1的一对啮合转子，其特征在于，诸所述配合区段在所述接触带与所述阳转子齿根圆和所述阴转子齿顶圆(A’-A)之间延伸。
5.按照权利要求4的一对啮合转子，其特征在于，所述运转间隙变化得使具有一“S”形状，从而，在诸所述啮合区段(A’-A)与所述接触带(B)之间连结的一对小配合区段(A’-B)里接近所述接触带(B)处所述运转间隙变化较快，而在诸所述配合区段里接触诸所述啮合区段(在A’附近和在A’处)处变化较慢些。
6.按照权利要求1的一对啮合转子，其特征在于，诸所述配合区段在与所述接触带相对的诸突瓣表面上的所述节圆与所述阳转子齿顶圆与所述阴转子齿根圆之间延伸(E-F)。
7.按照权利要求1的一对啮合转子，其特征在于，诸所述配合区段在与所述接触带相对的诸各突瓣表面上的所述节圆与所述阳转子齿根圆与所述阴转子齿顶圆之间延伸(G-H)。
全文摘要
零间隙螺旋转子诸轮廓是通过确定在这些轮廓上的间隔的诸点处的间隙要求和使用一非线性分布改变在诸相邻点之间的间隙分布而修改的。这样导致减小了总的间隙并因此也减少了泄漏。所述,当将这些间隙放入一对转子中时,在一对转子之间、保持在节圆附近的接触带上保持着零间隙。
文档编号F04C18/16GK1256365SQ99125860
公开日2000年6月14日 申请日期1999年11月30日 优先权日1998年12月10日
发明者克沙瓦·B·库马尔, 詹姆斯·W·布什 申请人:开利公司