一种罗茨式氢气循环泵转子型线设计方法

本发明属于转子型线，具体涉及一种罗茨式氢气循环泵转子型线设计方法。

背景技术：

1、氢燃料电池是一种将氢气和氧气直接转化为电能和水的装置，具有高效、清洁、可再生等优点，被认为是未来的理想能源之一，氢燃料电池系统中，氢气循环泵是一种重要的动力设备，主要作用是由阳极回收未消耗的氢气，并将其运输回电池堆入口，以提高氢气利用效率，氢气循环泵的性能直接影响氢燃料电池系统的运行效率和寿命；

2、氢气循环泵的核心部件是转子，转子型线的设计是研发氢气循环泵的前提，决定所设计循环泵性能的优劣，常规的转子型线有渐开线型、圆弧型、摆线型三种类型，针对每一种类型，设计方法是不一样的，但都是根据给定的曲线方程进行针对性的求解剩余曲线，偶尔还会用到过渡圆弧消除连接凸点，设计方法具有单一性及偶然性；

3、渐开线型转子型线是最早应用于氢气循环泵的型线，具有结构简单、制造容易、容积效率高等优点，但也存在压缩比低、噪声大、泄漏大等缺点，圆弧型转子型线是在渐开线型的基础上，将渐开线曲线的一部分用圆弧替代，以减小转子间隙，提高压缩比，降低噪声和泄漏，但也会增加制造难度和成本，摆线型转子型线是在圆弧型的基础上，将圆弧曲线的一部分用摆线替代，以进一步减小转子间隙，提高压缩比，降低噪声和泄漏，但也会增加制造难度和成本；

4、以上三种类型的转子型线设计方法都是基于给定的曲线方程进行求解，不能根据不同的工况条件和性能要求灵活地调整转子型线的形状，也不能适应不同的曲线类型，因此存在一定的局限性和不确定性，此外，以上三种类型的转子型线设计方法都没有考虑到转子型线的共轭特性，即转子型线的形状应该与其对应的型腔的形状相匹配，以保证转子之间的良好啮合，提高氢气循环泵的工作效率和稳定性；

5、因此，目前的转子型线设计方法还存在着改进的空间和需求，急需一种新型的罗茨式氢气循环泵转子型线设计方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种罗茨式氢气循环泵转子型线设计方法，能够克服了现有型线设计方法的单一性及偶然性缺陷，具有应用范围广的优点。

2、本发明采取的技术方案具体如下：

3、一种罗茨式氢气循环泵转子型线设计方法，包括以下步骤：

4、s1：设单个转子的型线为对称曲线，可将其视为若干基本曲线单元ac对称而成，每一基本曲线单元又可由两部分组成，分别是给定曲线bc以及共轭曲线ab，两者的连接点b与转子中心o的距离为转子的节圆半径r，即两转子中心距离的一半；

5、s2：将左侧转子给定曲线b1c1记为曲线ⅰ，其在动坐标系x1o1y1下的方程记为l1；

6、s3：将右侧转子的共轭曲线a2b2记为曲线ⅱ，其在动坐标系x2o2y2下的方程记为l2；

7、s4：当动坐标系x1o1y1与动坐标系x2o2y2同时反向旋转任一角度θ时，曲线ⅰ与曲线ⅱ相切于m点。

8、由所述s2和所述s3的结合，令：

9、

10、基于共轭原理进行推导，则可以得到l2的推导公式，为：

11、

12、由公式(2)中，确定θ的表达公式，为：

13、

14、其中，

15、所述公式(2)和所述(3)中，采用多点求解法对共轭曲线进行计算，令t的数值由0开始以固定幅度递增计算对应l2的数值，完成共轭曲线a2b2上各个点的坐标求解。

16、计算获得共轭曲线a2b2上各个点的坐标后，通过坐标转换得到a1b1上各个点的坐标，完成基本曲线单元a1c1的绘制。

17、左侧转子和右侧转子的型线在啮合位置存在一定间隙δ时，基本曲线单元的方程表达公式调整为：

18、

19、在确定转子的顶圆半径rm为66、节圆半径r为22.5、包络角α为π/4，可设计不同类型的转子型线：

20、a：曲线ⅰ为单一圆弧；

21、b：曲线ⅰ为两段相切圆弧；

22、c：曲线ⅰ为二次曲线；

23、d：曲线ⅰ为圆弧及渐开线的组合曲线。

24、所述a中的计算方程为：

25、

26、所述b中的计算方程为：

27、

28、所述c中的计算方程为：

29、

30、所述d中的计算方程为：

31、

32、本发明取得的技术效果为：

33、本发明根据提供的任意曲线求解其对应共轭曲线，进而完成特定转子型线设计，克服了现有型线设计方法的单一性及偶然性缺陷，具有应用范围广的优点。

技术特征：

1.一种罗茨式氢气循环泵转子型线设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：由所述s2和所述s3的结合，令：

3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于：由公式(2)中，确定θ的表达公式，为：

4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于：所述公式(2)和所述(3)中，采用多点求解法对共轭曲线进行计算，令t的数值由0开始以固定幅度递增计算对应l2的数值，完成共轭曲线a2b2上各个点的坐标求解。

5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于：计算获得共轭曲线a2b2上各个点的坐标后，通过坐标转换得到a1b1上各个点的坐标，完成基本曲线单元a1c1的绘制。

6.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于：左侧转子和右侧转子的型线在啮合位置存在一定间隙δ时，基本曲线单元的方程表达公式调整为：

7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于：在确定转子的顶圆半径rm为66、节圆半径r为22.5、包络角α为π/4，设计不同类型的转子型线：

8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于：所述a中的计算方程为：

技术总结
本发明属于转子型线技术领域，具体涉及一种罗茨式氢气循环泵转子型线设计方法，包括以下步骤，S1：设单个转子的型线为对称曲线，可将其视为若干基本曲线单元AC对称而成，每一基本曲线单元又可由两部分组成，分别是给定曲线BC以及共轭曲线AB，两者的连接点B与转子中心O的距离为转子的节圆半径R，即两转子中心距离的一半，S2：将左侧转子给定曲线B<subgt;1</subgt;C<subgt;1</subgt;记为曲线Ⅰ，其在动坐标系x<subgt;1</subgt;O<subgt;1</subgt;y<subgt;1</subgt;下的方程记为L<subgt;1</subgt;，S3：将右侧转子的共轭曲线A<subgt;2</subgt;B<subgt;2</subgt;记为曲线Ⅱ，其在动坐标系x<subgt;2</subgt;O<subgt;2</subgt;y<subgt;2</subgt;下的方程记为L<subgt;2</subgt;，S4：当动坐标系x<subgt;1</subgt;O<subgt;1</subgt;y<subgt;1</subgt;与动坐标系x<subgt;2</subgt;O<subgt;2</subgt;y<subgt;2</subgt;同时反向旋转任一角度θ时，曲线Ⅰ与曲线Ⅱ相切于M点。本发明能够克服了现有型线设计方法的单一性及偶然性缺陷，具有应用范围广的优点。

技术研发人员：翟欢乐,马崇立,束怡,黄佳陈
受保护的技术使用者：江苏航空职业技术学院
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16