专利名称:旋转式流体机器的制作方法
本发明一般地说涉及一种旋转机器，更准确地说涉及一种旋转式流体机器。
在流体压缩机技术中已经公知的、例如如表示一般工作原理的示意图图10所示的一种蜗壳式压缩机的典型结构是这样的，即提供两个具有相同断面形状的蜗壳形或螺旋形构件，一个螺旋形构件(2)固定在带有通常在中心的排出口(4)的密封端盖的表面上。另外在这种结构中，这两个螺旋形构件互相相对圆周错开180度，并且相对位置错开2ρ距离(＝螺旋形螺距-2×螺旋形构件板的厚度)，从而以图中示意地表示的这种方式互相嵌套，即它们可处于在(51)、(52)和(51′)、(52′)四点处互相紧靠接触的相对位置。根据这种结构应该进一步指出，一个螺旋形构件(2)安排成位置固定的，并通过采用一个半径为ρ的曲柄机构把一个构件(1)安排成以半径ρ＝00′绕螺旋形构件(2)的中心O作回转运动或太阳轨道运动，而没有绕它自己轴线的旋转运动或行星运动。
用这样的结构，定义了沿螺旋形构件(1)、(2)扩展并分别在接触点(51)、(52)和(51′)、(52′)之间紧密封闭的小空间或腔室(3)、(3)，这些腔室(3)、(3)的容积随着螺旋形构件(1)的太阳运动或回转运动而逐渐变化。
更准确地考察时应该指出，当螺旋形构件(1)最初从图10(A)所示的位置开始回转90度时，它变成处于图10(B)所示的状态，当它回转到180度时，它变成处于图10(C)所示的状态，而当它进一步回转到270度时，它变成处于图10(D)所示的状态。随着螺旋形构件(1)作回转运动，小腔室(3)、(3)的容积逐渐连续减少，最后这些腔室互相连通并合并成一个紧密封闭的小腔室(53)。接着，当它从图10(D)所示的状态再回转运动90度时，它变回到图10(A)所示位置的状态，而小腔室(53)这时将随着它从图10(B)所示状态向图10(C)和图10(D)所示状态之间变为最小容积。在此回转运动阶段，外部空间如图10(B)中所看到的那样开始敞开，随着构件(1)从图10(C)的状态经过图10(D)的状态变到图10(A)的状态而逐渐增大，从而从这些外部空间引入另一些新空气体积进入终将合并在一起的紧密封闭的小腔室，然后重复此回转运动循环，以致于这样吸进螺旋形构件的外部空间的气体可以相应地被压缩，从而从排出口(4)排出。
上面的说明涉及蜗壳式压缩机的一般工作原理，下面借助于以纵剖视表示该压缩机总体结构的图11更具体地引用这种蜗壳式压缩机的结构，可以看出壳体(10)由前端盖(11)、后端盖(12)和圆柱壳(13)组成。后端盖(12)带有进口(14)和排出口(15)，二者都伸到后端盖的外面，后端盖还与由螺旋或螺线翅片(252)和辐盘(251)组成的固定蜗壳件(25)固定安装。前端盖(11)宜于作为枢轴安装一个带曲柄销(23)的主轴(17)。图12是沿图11中箭头Ⅻ-Ⅻ定义的平面所取的横剖视图，象图12中典型地表示的那样，在与曲柄销(23)的相互运转关系中可以看出，通过一个回转机构(它包括一个径向滚针轴承(26)、回转蜗壳件(24)的轮毂(243)、一个方断面套筒件(271)、一个滑块件(291)、一个环形件(292)和一个止动凸起(293)等)提供一个回转蜗壳件(24)，它包括一个螺旋形构件(242)和一个盘(241)。
如在本发明人提出的日本专利申请No、197，672/1981中所详细说明的那样，包含在蜗壳式压缩机中的蜗壳形或螺旋形构件(1)、(2)的一般形状的设计工程作法是这样的，即这些螺旋形构件的径向内、外轮廓曲线的主要部分一般可设计成由渐开线函数组成。如上面给出的这种压缩机的工作原理说明中还指出的那样，小腔室53在其工作循环的某部分内将减小其工作容积，从而保证高压流体从排出口排出。关于此工作循环，遇到所谓“挤压间隙容积”(top clearance volume)现象，它是由小腔室的容积不可能变成零或消失这样一个事实所引起的，因为在实际结构设计中螺旋形构件的厚度不可能弄成零。
更准确地考察时，如螺旋形构件中心区局部放大图图13中进一步详细表示的那样，其中图(A)对应着图10(C)，当螺旋形构件(1)进行回转运动时，定义于两个互补的螺旋形构件(1)、(2)的接触点(52)和(52′)之间的小腔室(53)将处于其工作位置，如图13(B)中以类似的方式所示的那样，其中小腔室(53)的容积变为最小值。然后当螺旋形构件(1)继续回转运动通过些特定的啮合点时，螺旋形构件(1)、(2)互相脱离，从而使它们之间的接触点(52)、(52)相应地消失。在这一瞬间，定义在这两个螺旋形构件(1)、(2)之间的小腔室(53)与定义在每个螺旋形构件外面的小腔室(3)、(3)连通。
由于已经公知的旋转机器结构中的这种位置关系，不可避免的是在高压下封闭在图13(B)所示的当时最小的容积中的流体因而再次与小腔室(3)、(3)连通而不是从排出口(4)排出。因此，到此为止对相当于挤压间隙容积的流体所作的功将相应地直接变成功损失。
此外，由于在普通的旋转机器结构中设计工程的一般作法是，螺旋形构件(1)和(2)的前沿是一个尖角，所以它在运转时被损坏的概率比较高。再者，螺旋形构件的这种尖角前沿一般需要额外的加工工时数。
为了克服上面说到的普通旋转式流体机器所特有的这些缺点，本发明人以前已提出了日本专利申请206，088/1982的装备有如图14以局部正视图明确表示的那种形式的螺旋形构件的旋转式流体机器结构的措施。
更具体地引用根据此日本专利申请的结构，如图14所示，一般结构是这样的，即提供一个标号为(501)的固定螺旋形构件，其中该螺旋形构件(501)的径向外表面和内表面的曲线分别标以(601)和(602)。可以看出，径向外曲线(601)定义为基圆半径为b起点为A的渐开线，径向内曲线(602)的曲线段E-F是相位与径向外曲线(601)错开(π-ρ/b)的渐开线，而曲线段D-E是半径为R的一段圆弧。此外，用来平滑地连接径向外曲线和内曲线(601)和(602)的标号为(603)的连接曲线是半径为r的一段圆弧。A点是外曲线(601)在渐开线上的起点，B点是外曲线(601)和连接曲线(603)之间的边界点，两曲线在该点共有同一条切线。C点是定义在径向外曲线(601)的足够远处的一点，而D点是内曲线(602)和连接曲线(603)之间的边界点，半径为R和r的两段圆弧在该点相切。E点是径向内曲线(602)的圆弧段(从D点到E点之间)和渐开线段E-F之间的边界点，两曲线在该点共有同一条切线。可以看出，F点是存在于内曲线(602)的足够远处的一点。
应该指出，另一个回转螺旋形构件(502)是相同结构的。
现在，半径R和r可由下式给出，即R＝ρ+bβ+d (1)r＝bβ+d (2)式中，ρ是回转运动半径;
b是基圆半径
d =b2- (ρ2+ b β )22 (ρ2+ b β )( 3 )]]>β是一个参数。
参数β等于由一个过原点O的直线段和X轴负半轴所定义的角度。可以看出，过原点O并成β角的该直线段与基圆的两个交点存在于线段EO2和BO1上。还可以看出，直线段EO2和BO1延长线在上面指出的交点处与基圆相切。
更准确地说应该指出，参数β定义为用来在螺旋形构件的形状中为径向外曲线和内曲线建立渐开线而给定的边界条件，反言之，此参数β将最终定义得到真正渐开线的边界点E和B。
根据旋转式流体机器的一般结构，设计工程的习惯作法是这样的，即E点和B点之间的曲线段可以适当确定以避免两个螺旋形构件在它们之间接触，而这两个具有从外接触点延伸过来的曲线的构件之间的极限接触点变为E点和B点。根据这种工程作法，一般认为当固定螺旋形构件部分上的E点将与回转螺旋形构件上的B点紧靠接触时，这些构件的曲线轮廓这样设计，即在运转时在它们的相对运动中，它们可以互相脱离。
现在，参见图15，图中画出一个带有这些螺旋形构件之间的啮合点或接触点(552)和(552′)的回转螺旋形构件(502)、一个定义在接触点(552)和(552′)之间的小空间或腔室(553)、以及外部空间或腔室(503)、(503)。应该指出，图15(A)对应着图13(A)，图15(B)对应着图13(B)，而图15(C)、15(D)和15(E)依次分别表示继续回转时螺旋形构件(502)所占据的位置。
根据此方案的具体结构应该指出，当两个螺旋形构件(501)和(502)按图15(A)、15(B)、15(C)、15(D)和15(E)中所见的顺序进行相对回转运动时，定义在接触点(552)、(552′)之间的小腔室(553)的空间或容积将连续逐渐减小，直到接触点(552)和(552′)最后并为如图15(E)所示的同一点的时刻为止，因而这时小腔室(553)的现有容积将变为零或消失。
根据以上说明考察时应该指出，由于相应地消除了在普通结构中仍然存在的所谓挤压间隙容积，置于压力之下的全部流体体积都被从排出口(未画出)排出，完全没有任何损失。因而，由压缩机对流体所作的全部功是十分有效的，从而防止出现任何功损失，否则在普通旋转式流体机器结构运转时这种功损失是不可避免的。
虽然为了便于说明在上述作法中把排出口的工作容积忽略不计，但实际上需要在适当的位置提供一个排出口，其中定义小腔室(553)。在上面指出的这种作法中或多或少地产生挤压间隙容积实际上是不可避免的，但这将限于事实上很小的尺寸，小到完全可以把它估计成事实上为零。
还应指出，由于采用了弧形点或连接曲线(603)，象图14中典型地表示的那样，螺旋形构件(501)和(502)的每个中心前沿都不是尖角的。因此能很好地避免该前沿区在机器运转时发生破裂或损坏的危险，此外，它将事实上有助于使螺旋形构件容易加工，即在径向内曲线(602)的D点和E点之间的连接部及在连接曲线(603)本身分别提供了圆弧曲线。
由于采用上面指出的方案，虽然许多缺点可以相应地解决，从而产生许多优点，但是偶尔下列麻烦是不可避免的，即(Ⅰ)更准确地说应该指出，有三个设计因素决定着螺旋形构件的一般形状，它们是渐开线的基圆半径b、回转运动半径ρ和角参数β(它代表定义渐开线的边界条件)。然而，在流体机器的实际制造中;一般作法是使用立铣刀，因此这将给在加工条件下所用铣刀的直径带来某些实际限制。根据日本专利申请NO、206，088/1982中所公开的结构可以发现由于螺旋形构件轮廓中圆弧段E-D的曲率半径R受限制而不得不采用小直径立铣刀的情况。由于这样的限制，有时由于立铣刀刚度不足等原因使螺旋形构件的加工误差或加工周期不可避免地加大。
(Ⅱ)另外，当两个螺旋形构件的加工有一定程度的误差时或者当两个螺旋形构件之间的相对位置关系有误差时，可能在两个螺旋形构件上产生异常力。例如在蜗壳式压缩机的情况下，一般的趋势是在高负载下运转时在那些当机器运转时存在着低压值与高压值之间的很大压差的部位，上面指出的异常力可能变得更大。在这样的条件下，图14所示螺旋形构件的半径为r的圆弧附近的前沿损坏的概率很高，因为这个前沿区的刚度比较小。
在其中两个螺旋形构件设计成互相接触的流体机器里，由于两个螺旋形构件的径向内曲线表面的相对滑动速度比其径向外区的相对滑动速度大得多，所以在构件的径向内表面将出现较大的磨损或磨蚀量。当这种磨损程度在机器以高负载运转时偶而增加得超过允许的最大限度时，则在压缩机和有关零件中产生过量的磨损屑，它最终将使机器失效。
即使在两个螺旋形构件设计成不接触式的场合，当两个螺旋形构件的加工有一定程度的误差时或者当所包含的两个螺旋形构件之间的相对位置关系有误差时，在机器运转期间，在啮合的互补螺旋形构件的前沿区内也将有相当大程度的磨损或磨蚀，因而可能引起失效或类似的异常现象。
(Ⅲ)在其中有包含在压缩机中的具有上面指出的形状的螺旋形构件(252)、(242)的压缩机结构中，有时会遇到，当处于在机器的低压侧和高压侧之间一般存在着相当大的压差的高负载运时，有构件的径向内部前沿区偶尔在运转期间破坏的情况，这是因为螺旋型构件的如图10(A)中箭头所示的这个特定的内部前沿区的刚度或刚性比任何其他区都小。
此外，在两个螺旋形构件安装成互相接触关系的流体机器结构中，在构件的径向内表面可能出现较大的磨损或磨蚀量，因为在两个螺旋形构件的径向内曲线表面的相对滑动速度将变成比其径向外部区的滑动速度大得多。另一方面，在两个螺旋形构件设计成互相不接触的流体机器结构的情况下，当两个螺旋形构件的加工有一定误差时或者当安装在一起时它们之间的相对位置关系有误差时，在机器运转期间在所卷入的互补构件中很可能有损坏或异常磨损，尤其在其前沿区更是如此。
鉴于上面指出的情况和麻烦，本发明因而被具体化以便实施，并且基本上针对一种改进的旋转式流体机器的构造，它能对这些问题提供一种有效的解决办法。
(Ⅰ)于是，本发明的一个目的是提供用于旋转式流体机器的螺旋形构件形状的一种改进，它使得可以在其加工工序中使用直径等于或稍小于待加工螺旋形构件中相对叶片区之间的空隙或间隙的一半的一个立铣刀，从而保证尽可能小的加工误差，并缩短加工时间周期。
(Ⅱ)本发明的另一个目的是提供包含在流体机器中的螺旋形构件结构的一种改进，当两个螺旋形构件的加工有一定误差时或者当安装在一起时它们之间的相对位置关系有误差时，它可以防止在所卷入的构件中发生可能的损坏或异常磨损。
(Ⅲ)本发明还有一个目的是提供螺旋形构件形状的一种改进，它可以防止在构件的径向内部前沿发生象流体机器运转时所遇到的可能的损坏或异常磨损。
根据本发明的本质，简要地说提供一种旋转式流体机器的改进结构，包括具有相同形状并以互相嵌套的关系布置成互相错开180度的两个蜗壳形或螺旋形构件即一个固定螺旋形构件和一个回转螺旋形构件，回转螺旋形构件宜于以回转运动半径ρ按太阳运动关系相对于固定螺旋形构件回转，这种改进结构可提供如下这样的结构特点，即(Ⅰ)其中两个螺旋形装置分别定义成具有由一条渐开线组成的径向外曲线段、由另一条渐开线和半径为R的一段圆弧组成的径向内曲线段、以及把径向外曲线段与半径为R的圆弧光滑连接的半径为r的一段圆弧的轮廓，符合下式给出的几何关系，即R＝ρ+bβ+dr＝bβ+dd =b2- (ρ2+ b β )22 (ρ2+ b β )]]>式中β≥π+π2·42·ρ2b]]>b是渐开线基圆半径。
(Ⅱ)其中两个螺旋形装置分别用由一条渐开线组成的径向外曲线、由带有半径为R的一段内圆弧的另一条渐开线组成的径向内曲线、以及带有半径为r的一段圆弧并把径向外曲线和半径为R的圆弧连续光滑连接的一条连接曲线来定义，并且其中在两个螺旋形装置之间提供一个小空隙或间隙，当以这样的方式安装成互相啮合关系时，在由如下式所给出的角参数β确定的、定义真正渐开线的边界点之间的范围内，整个内曲线和连接曲线或其部分可以脱离互相啮合的关系，即R＝ρ+bβ+d
r＝bβ+dd =b2- (ρ2+ b β )22 (ρ2+ b β )]]>式中，b是渐开线基圆半径。
(Ⅲ)其中两个螺旋形装置分别用由一条渐开线组成的径向外曲线、由带有半径为R的一段内圆弧的另一条渐开线组成的径向内曲线、以及带有半径为r的一段圆弧并把径向外曲线和半径为R的圆弧连续光滑连接的一条连接曲线来定义，并且其中在两个螺旋形装置之间提供一个小空隙或间隙，当以这样的方式安装成互相啮合关系时，在角参数β所确定的定义真正渐开线的边界点稍微往外的区域内的由角参数(β+△β)所确定的两点之间的范围内，整个内曲线和连接曲线或其部分可以脱离互相啮合的关系，符合下式，即R＝ρ+bβ+dr＝bβ+dd =b2- (ρ2+ b β )22 (ρ2+ b β )]]>式中b是渐开线基圆半径。
借助于上面指出的这样一种有利的结构，保证了下列(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)条中这样的效应和功能，即(Ⅰ)用于廉价高性能的旋转式流体机器中的螺旋形构件形状的改进，使得可以把直径足够大的立铣刀用于待加工的螺旋形构件中相对叶片区之间空隙或间隙的加工工序，从而保证尽可能小的加工误差并缩短加工时间周期。
(Ⅱ)用于旋转式流体机器中的螺旋形构件形状的改进，能有助于通过防止在所卷入的构件中发生可能的损坏和异常磨损来保证流体机器具有长工作寿命和高性能，由此在投入工业应用时可以带来明显的利益。
(Ⅲ)用于流体机器中的螺旋形构件形状的改进，可以有效地防止在构件的径向内部前沿区发生在普通结构中当运转时所遇到的可能的磨损或损坏，由此可提供一种高性能流体机器，它在投入工业应用时可以带来明显的利益。
考虑下面示范的按目前的理解实现本发明的最佳方式的最佳实施例的详细说明，本发明的附加特点和优点对于通晓该技术的人员将变得更明显。详细说明具体地对照附图。
图1是表示作为本发明的第一最佳实施例的包含在旋转式流体机器中的蜗壳形或螺旋形构件的形状的示意正视图;
图2是表示作为本发明的第二实施例的螺旋形构件的类似的正视图;
图3、图4和图5分别是表示图2所示螺旋形构件的轮廓的进一步改进的类似正视图;
图6是表示本发明的第三实施例的类似正视图;
图7是表示在图6所示螺旋形构件的前沿区周围产生的压力分布的示意模型图;
图8和图9是表示图6所示螺旋形构件轮廓的改进的类似正视图;
图10是依次表示已经公知的蜗壳式压缩机的工作原理的一组示意图;
图11是表示已经公知的蜗壳式压缩机总成的总体结构的纵剖视图;
图12是沿图11中的Ⅻ-Ⅻ线所取的横剖视图;
图13是以剖面表示互补的螺旋形构件的相对工作关系的变化方式的一组局部放大图;
图14是表示日本专利申请NO、206，088/1982中公开的先有技术螺旋形构件的部分轮廓的示意正视图;
图15是表示装在蜗壳式压缩机上时，图14所示的互补螺旋形构件的相对工作关系的变化方式的一织局部放大剖视图。
下面偿助于实际上适用于旋转式流体机器的第一最佳实施例对照本发明。参见图1，它是螺旋形构件的正视图，其中类似的部分标注相同的标号，而且这里以与图14中相同的比例尺画出这些类似构件。此外应该指出，所用字母R、r和d与上面式(1)、(2)和(3)中出现的字母一致，而参数β取为满足下式(4)，即β≥π+π2·42·ρ2b(4)]]>在此图中画出一个固定螺旋形构件(505)的轮廓，它有径向外表面曲线(701)和径向内表面曲线(702)。还可看出，径向外曲线(701)由一条渐开线组成，渐开线起点为A点，其基圆半径为b。还画出在径向内曲线(702)上过E点和F点的曲线段，它是相对于径向外曲线(701)错开其相位角(π-ρ/b)的一条渐开线。曲线段D-E是半径为R、圆心为O2的一段圆弧，如式(1)所给出的那样。此外还画出一段连接曲线(703)，它把径向外曲线(701)和径向内曲线(702)连接起来，它是半径为r、圆心为O1的一段圆弧，如式(2)所给出的那样。A点是基圆半径为b的外曲线(701)渐开线的起点，而B点是外曲线(701)与连接曲线(703)之间的边界点，两曲线在该点共有同一条切线。
还画出C点是存在于外曲线(701)的足够远的范围内的一点，而D点是内曲线(702)和连接曲线(703)之间的边界点，半径分别为R和r的两段圆弧在该点相切。
E点是内曲线(702)上圆弧D-E与渐开线E-F之间的边界点，两曲线在该点共有同一条切线。F点是存在于内曲线(702)的足够远的范围内的一点。
现在可以看出，角参数β代表过原点O的一条直线与负半X轴之间的夹角，过渐开线基圆圆心O并定义成β角的该直线与基圆的两个交点分别在直线EO2和BO1的延长线上求出。还可以看出，两直线EO2和BO1的延长线与基圆在上面指出的交点处相切，而这些直线EO2和BO1的延长线是互相平行的。
在回转螺旋形构件部分也以类似方式很好地保持这种几何关系。
在上面考察的这种螺旋形构件形状中，应该指出，螺旋形构件的相对叶片表面之间的空隙或间隙TG可以由下面式(5)给出，即TG＝πb+ρ (5)在此关系式中采用式(4)给出的参数，内曲线的圆弧段半径R可由下面式(6)给出R≥TG(6)用这种螺旋形构件形状，现在实际可行的是用直径等于或稍小于螺旋形构件的空隙或间隙TG的立铣刀加工在螺旋形构件的相对叶片之间有限空间里的区段和圆弧段E-D。因此，在有这样的尺寸限制的螺旋形构件上用直径比较大的立铣刀来加工是切实可行的，从而有助于解决有时在普通结构的螺旋形构件中碰到的麻烦。
关于本发明的上面指出的最佳实施例，如下所示的许多改进和变动是切实可行的，它们是(1)如图1中用虚线典型地表示的那样，在曲线段E-G还可以定义带有小间隙或凹进部分△C的一条备选的径向内曲线(710)，它向内曲线(702)的径向外侧凹入。
在这种形状中，G点是存在于连接曲线(703)上D点与B点之间的任意一点，为了图解清晰起见，将该凹进部分△C从实际凹进部分尺寸按比例放大，该凹进部分可以制成非常小的尺寸。
(2)虽未画出，代替上面第(1)款中指出的径向内曲线上的凹进部分△C的构造，当然可以在连接曲线部分相应地提供备选的凹进部分△C。
(3)一种备选的形状是这样的，即一个螺旋形构件可以如图1所示，而仅仅在互补的螺旋形构件上可以带有曲线凹进部分△C，它可以作成与内曲线和外曲线二者的轮廓组合，如上述第(1)和第(2)款中指出的那样。
(4)另外，也可以采用这样一种备选结构，即两个螺旋形构件都作成带有小凹进部分的，从而在内曲线和连接曲线部分定义它们之间的间隙。
在随便哪一种符合第(1)至第(4)款中所示改进的构件轮廓的情况下，仅定义它们之间一个小间隙△C，它能有效地带来有利的效应，如这样设计的日本专利申请NO、206，088/1982所企望的那样，从而得到流体机器效率的真正改善。
(5)总之应该指出，本发明不仅对压缩机而且对其中包含蜗壳形或螺旋形构件的任何其他设备都可相应地取得同样有效的结果。
下面借助于实际上适用于旋转式流体机器的第二最佳实施例对照本发明。图2是作为第二实施例的螺旋形构件的正视图，而图3、图4和图5也是分别表示本发明的进一步改进的类似正视图。
在图2中，类似的部分标注类似的标号，而且这里以与图14中相同的比例尺画出这些类似构件。现在参见图2，其中以标号(701)图出固定螺旋形构件，它有径向外曲线(711)和径向内曲线(712)。
可以看出，径向外曲线(711)是起点为A、基圆半径为b的一条渐开线，径向内曲线(712)的曲线段E-F是相对于外曲线(711)有角位移(π-ρ/b)的一条渐开线。还可看出，曲线段E-I是有与所用立铣刀半径相同的半径Rc的一段圆弧，而曲线段I-G是有圆心O3和半径R的一段圆弧。还画出连接曲线(713)，它是半径为r的一段圆弧，它与外曲线(711)及内曲线(712)光滑连接。
在这种螺旋形构件轮廓中，应该指出，内曲线(712)的E-I-G段画成带一个小间隙△C，比图14中所示的内曲线(602)更接近外曲线(711)。虽然为了图解清晰已将间隙△C相当放大，但实际上凹进部分的尺寸很小。
B点是存在于外曲线(711)和连接曲线(713)之间的边界点，这些曲线可在该点共有同一条切线。可以看出，在B点以外的范围内(在C点侧)它是一条渐开线，而在B点以内的范围内(在G点侧)它变成一段圆弧。
A点是外曲线(711)的起点，C点是存在于外曲线(711)的足够远范围内的一个任意点，而F是存在于内曲线(712)的足够远范围内的一个任意点。G点是内曲线(712)中半径为R的圆弧与连接曲线(713)之间的交点，而且此点可以在D-B范围内半径为r的圆弧上的任意位置。
此外应该指出，在回转螺旋形构件的场合也可以很好地保持这种尺寸关系。
于是，半径R和r可由下式给出，即R＝ρ+bβ+dr＝bβ+d式中，ρ是回转运动的半径;
b是基圆半径
d =b2- (ρ2+ b β )22 (ρ2+ b β )]]>β是代表选择渐开线的边界范围的参数。
可以看出，过原点O并相对于X轴定义成β角的直线与直线EO2和直线BO1的延长线互相垂直相交，而直线段EO2与BO1是互相平行的。
在本发明的此实施例中找出的与图14所示者的主要差别在于内曲线(712)的曲线段E-I-G的形状及连接曲线(713)的B-G段的长度，而且可以看出，图2中的虚线相当于图14中所示的对应曲线。
根据此实施例中螺旋形构件的形状，应该指出，当安装到位时，固定螺旋形构件(701)的内曲线上足够远的任意点处渐开线上的F点将与回转螺旋形构件(未画出)部分上外曲线的渐开线段上的对应点接触，随着，回转螺旋形构件的回转运动该接触点将逐渐径向内移。而且接触点移向固定螺旋形构件(701)的内曲线(712)上的E点，与回转螺旋形构件外曲线上的对应点(与固定螺旋形构件部分上的B点相同的点)相接触。随着螺旋形构件的回转运动进一步继续下去，可以看出现在使两个构件运动带有定义在曲线(602)的曲线段E-D-G和曲线(712)的E-I-G段之间的间隙△C。
因而应该指出，两个螺旋形构件之间在其中心前沿处的接触啮合将继续到达E点(与相补螺旋形构件上的B点接触)之前，此后在互相啮合的二者之间存在一个小间隙△C。用这种独特的螺旋形构件结构，可以实现下列效果和功能，即(1)可以有效地防止装在一起的螺旋形构件之间发生作用力过大的啮合这种异常状态的危险，即使当这些构件的加工有一定程度的误差时或者当这些螺旋形构件互相不处于正确的安装状态时也是如此。由于这样的优点，可以相应地防止在高负载运转时刚度比较小的螺旋形构件上半径为r的圆弧段的损坏。
(2)除了防止这种螺旋形构件过载啮合异常状态的有利效果外，还可实现另一个优点，即可以相应地防止螺旋形构件上相对于与之啮合的相补构件有比较大的滑动的内部前沿区过分磨损的麻烦。
(3)用小间隙△C，可以大体上实现已在日本专利申请NO、206，088/1982中具体化的技术原理，从而使它可行以提供具有高效率性能的旋转式流体机器。
(4)由于对螺旋形构件的加工工序中的有利措施，即内曲线(712)的曲线段E-I可制成有与所用立铣刀半径相同的半径Rc，而I-G段是半径为R的圆弧，所以对螺旋形构件的加工工序可以光滑地进行而没有任何重要的实际加工困难。
于是应该指出，本发明的本质在于与日本专利申请NO、206，088/1962中实现的结构有关的螺旋形构件的这样的结构措施，即通过由角参数β确定的、定义在渐开线的边界点E和B的之间的内曲线(712)或(602)，及连接曲线(713)或(603)，当组合成相互啮合时，在螺旋形构件回转运动期间在E-B范围内可以表现出真正微小的间隙。
关于螺旋形构件的这种特殊结构，可以引入如下所示的对其形状的改进和变动。
(1)图2所示的圆弧E-I的半径与所用立铣刀的半径相等这一点不是很重要的，它也可以大于立铣刀的半径。此外，圆弧I-C的半径R可以等于或大于式(1)中给出的R值，而且它也可以是曲率等于或大于立铣刀半径的任何曲线。
简单地说，只要提供一个空隙或间隙△C，使径向内曲线可以从E-B段变得更接近于径向外曲线就可以了。
(2)代替沿图14所示的E-B段的间隙△C的措施，也可以根据需要仅在E-B段的任意部分提供间隙△C，如图3所示。
在这种形状中，画出了标注着标号(802)的螺旋形构件，内曲线上带有H点，在H-E之间是半径为R的圆弧，径向内曲线画成从图14所示的曲线(602)凹入一个小空隙或间隙△C。用这种螺旋形构件形状，它这样构成，即根据符合参数β的H点来定义图14所示的内曲线(602)和间隙△C。
(3)作为代替内曲线上的空隙或间隙△C的措施，也可以在连接曲线上提供间隙△C，如图4所示。
在这种特殊形状中，画出了标号(913)的连接曲线，它画成从图14的连接曲线(603)凹入一个小间隙△C。这种形状可以通过给出与内曲线(602)在内曲线侧(E点侧)范围内的交点J而不是图14所示的连接曲线(603)与内曲线(602)的交点D来定义。
(4)螺旋形构件的另一种形状可以如图5所示这样来构成，即固定螺旋形构件与回转螺旋径构件中随便哪一个取图14所示的轮廓，而仅在另一个螺旋形构件部分的内曲线和连接曲线中提供一个小间隙△C。
在这种形状中，安排成半径R、r的有关尺寸分别为R′＞R和r′＞r。
应该指出，画出了内曲线(912)、连接曲线(914)，而K点是曲线(912)和(914)之间之间的连接点，在曲线EKB和EDB之间提供了较小的间隙，曲线EDB示于图14。
此外，提供具有图5所示轮廓的两个螺旋形构件实际上也是可行的，其中当符合关系式(R′-r′＝ρ)时可以使R′和r′的交点互相真正相切，从而保证曲线接合处的光滑连接。
根据上面第(3)和第(4)款中说明的改进，可以预料定义在螺旋形构件的中心前沿区的小圆的曲率将变得比实用例稍小些，这可能造成刚度随曲率的减小而相应降低。不过，间隙如此之小，以致于这种程度的曲率减小完全不会带来很大的影响。
(5)本发明除了用于压缩机外自然完全适用于任何其他旋转构件式机器，如泵、膨胀机等。
下面借助于其第三最佳实施例对照本发明。图6是作为第三实施例的螺旋形构件的正视图，图7是表示在图6所示的螺旋形构件内部前沿区周围的压力分布的局部模型图，而图8与图9也是分别表示本发明的其他改进的类似正视图。
在这些图中，类似的部分标注类似的标号，而且这里以与图14中相同的比例尺画出这些类似构件。现在参见图6，其中以标号(701)画出固定螺旋形构件，它有径向外曲线(601)和连接曲线(603)，这些标号与图14中相同。
在该图中，内曲线标号为(702)，它是从存在于足够远处的F点延伸到H点的渐开线，H点对应着(β+△β)值，即角参数β加一个增量△β。在H点以内的范围内，可以看出内曲线(702)定义为带有离开图14所示的内曲线(602)的一个微小的凹入部分△C。
更准确地说，根据图14所示的形状应该指出，这是定义在E点以外范围内的一条渐开线，E点由参数β确定，它给出符合真正渐开线的边界条件。与此相反，根据图6应该指出，仅在H点以外范围内的内曲线上定义渐开线，H点对应着参数(β+△β)，适用于E点以外的范围，△β最好定义为10至15度或更大一些。
在这种形状中，有pp′⊥p′H和QQ′⊥Q′E这样的关系，式中p、p′、Q和Q′是基圆上的点，而在p′点Q′点处基圆上的切线分别为p′H和Q′E。
此外应该指出，G点是内曲线(702)和连接曲线(603)之间的交点，它存在于连接曲线(603)上B-D段内。H′点是从p点引出的与基圆相切的切线与外曲线(601)的交点，连接曲线(603)的半径r与图14所示者相同，而且在固定螺旋形构件中可以良好地保持同样的尺寸关系。
如果使两个安装成互相啮合关系的螺旋形构件相对回转运动，应该指出，首先在回转螺旋形构件部分上外曲线的渐开线段上的点处出现啮合状态，该点对应着固定螺旋形构件的内曲线中渐开线的外点F，这种啮合状态逐渐向构件的内部中心区前进。然后可以看到，固定螺旋形构件内曲线渐开线段上的H点将与回转螺旋形构件外曲线渐开线段上的H′点啮合，此后两个构件以一个小间隙△C相对回转。
更准确地参见图14所示的形状，可以看到在由符合真正渐开线的边界条件的参数确定的E点和B点的啮合状态。与此相反，根据本实施例应该指出，这种在互补构件中的互相啮合状态将以一个提前值△β宣告结束并开始互相脱离。
在这一瞬间，在内曲线(702)的内部范围或靠近连接曲线(603)，那里两个螺旋形构件在互相分离之前处于互相啮合中，在外曲线(601)的靠近连接曲线(603)的点处，以及在连接曲线本身上，存在着输出压力或较高的压力P0的负载。另一方面，在外曲线中啮合点以外或内曲线中啮合点以外的范围内，变成处于增加压缩阶段的比较低的压力负载p′。
现在，用关于螺旋形构件周围的压力分布的示意模型来考察，两个螺旋形构件开始互相脱离处的状态如图7(B)所示，而图7(A)表示图14所示形状的状态。
更准确地说，根据图14所示的螺旋形构件形状，从图7(A)的示意图可以看出，在靠近螺旋形构件前沿区刚度比较小的箭头所指点的B点处压力分布从p′变到P0。与此相反，从表示根据本发明改进的螺旋形构件形状的图7(B)可以看出，压力变化发生在其位置离开箭头点比较远的H′点处。
由于在图14所示的螺旋形构件形状中出现这样的压力偏差，应该指出，构件将在图7(A)所示的箭头点处因为压差(P0-P′，忽略两个构件之间啮合产生的机械损失)而受到变形，从而产生相应的应力。然而，在根据本发明的螺旋形构件形状中，如图7(B)所示应该指出，在箭头点处产生的现有压力将互相平衡，从而是比较小的，于是这将有助于明显地防止构件的该区发生可能的损坏。
另一方面，如上面所指出的那样，当啮合点向构件的内区或中心区移动时，在螺旋形构件的互相啮合的表面上可以观察到明显较高的滑动速度，这意味着在所卷入的构件的啮合点有较高的磨损速度。与此相反，由于构件的互相啮合仅发生在构件的相对滑动速度明显低于普通形状的滑动速度的范围内，所以构件的磨损速度将明显降低。
此外，在螺旋形构件的加工或装配中偶尔出现误差的情况下，互补构件之间的异常接触或啮合即使在非接触型中也将是不可避免的，然而在根据本发明的螺旋形构件的内部前沿区中，将能有效地避免这样的异常啮合。结果，在互补构件的该前沿区将不出现磨损或损坏。
再有，由于在根据本发明的螺旋形构件形状中凹进部分或间隙△C值仅是很小的，应该指出，由日本专利申请NO、206，088/1982具体化的优点基本上没有任何牺牲，因而有助于整个流体机器的高效率性能。
关于如以上的最佳实施例中所考察的、为本发明所特有的、包含在旋转式流体机器中的螺旋形构件的有利结构，实践中可以实现许多如下所述的有用的改进和变动，它们是(1)改进在于，代替包含在流体机器中的固定和回转两个螺旋形构件的形状相同的结构，其中具有同一个参数(β+△β)的两个构件的啮合有同一个脱离点，改用具有不同形状的螺旋形构件的构造，即一个螺旋形构件有参数(β+△β)而另一个构件有参数(β+△β′)，(△β≠△β′)，从而这些构件可以在有关的不同点处脱离互相啮合的关系。
(2)改进在于，代替凹进部分△C在螺旋形构件径向内曲线上的构造，可以在径向外曲线部分提供一种备选的凹进部分△C，如图8中典型地表示的那样。
在这种改进中，结构中在从外曲线上的H′点起沿着它的部分并沿着连接曲线和内曲线对应着参数(β+△β)的部分延伸的曲线段里，提供比普通轮廓曲线(601)、(603)和(602)更小的间隙或凹进部分△C，从而形成一条任意曲线(751)。那么，这样得到的曲线(751)与内曲线(602)的交点G可在D点与E点之间的范围内适当地确定。
用这种结构的两个螺旋形构件，可以实现与图6所示者大体上相同的效应。
不过，代替连接曲线(603)画出了有更向内的凹进部分的曲线(751)。虽然此曲线可能在此曲线结构中带来稍小一点的刚度，但由于间隙△C仅有很小的值，这不会造成很大的影响。
(3)如图9所示的改进在于，提供一个具有与图14所示者相同的形状的螺旋形构件，仅另一个构件可能有轮廓曲线(761)，其中在H点与H′点之间给出一个小间隙△C，以致于两个构件可以在由参数(β+△β)确定的并且在参数β所确定的E点和B点外侧的H点和H′点处脱离其互相啮合关系。
在这种改进中，代替对应着同一个参数(β+△β)的H、H′点的构造，可以分别提供例如有参数(β+△β)的H点和有参数(β++△β′)的H′点，(△β≠△β′)，这在实践中也是可行的。
(4)总之应该指出，本发明不仅适用于旋转式压缩机，而且适用于其中包含蜗壳式或螺旋形构件的任何其他设备，如泵装置、流体膨胀机等，都可相应地取得同样有效的结果。
虽然本发明的典型最佳实施例已在上面彻底说明，可以理解，本发明并不限于最佳实施例中所示的具体结构细节，而是与此相反，在上述说明中可以作出许多变动或改进而不受其任何限制、不脱离本发明的精神和范围。
还可以理解，所附的权利要求
书旨在包括属于这里公开的本发明的所有这些一般和特殊细节及与本发明的范围有关的在语言上可以说属于其范围的所有陈述。
权利要求
1.一种旋转式流体机器，它包括分别具有大体上相同的形状并以互相嵌套的关系布置成在其中互相错开180度的固定螺旋形装置和回转螺旋形装置，回转螺旋形装置宜于以回转运动半径ρ按太阳运动关系相对于固定螺旋形装置回转，其中上述两个螺旋形装置分别定义成具有由一条渐开线组成的径向外曲线段、由另一条渐开线和半径为R的一段圆弧组成的径向内曲线段、以及把上述径向外曲线段与上述半径为R的圆弧光滑连接的半径为r的一段圆弧的轮廓，符合下式给出的几何关系，即R=ρ+bβ+dr=bβ+dd =b2- (ρ2+ b β )22 (ρ2+ b β )]]>式中，β≥π+π2·42·ρ2b]]>b是上述渐开线的基圆半径。
2.一种旋转式流体机器，它包括分别具有大体上相同的形状并以互相嵌套的关系布置成在其中互相错开180度的固定螺旋形装置和回转螺旋形装置，回转螺旋形装置宜于以回转运动半径ρ按太阳运动关系相对于固定螺旋形装置回转，其中上述两个螺旋形装置分别用由一条渐开线组成的径向外曲线、由带有半径为R的一段内部圆弧的另一条渐开线组成的径向内曲线、以及带有半径为r的一段圆弧并把上述径向外曲线与上述半径为R的圆弧连续光滑连接的一条连接曲线来定义，并且其中在上述两个螺旋形装置之间提供一个小空隙或间隙，当以这样的方式安装成互相啮合关系时，在由如下式所给出的用角参数β确定的、定义真正渐开线的边界点之间的范围内，上述整个内曲线和连接曲线或其部分可以脱离上述互相啮合的关系，即R＝ρ+bβ+dr＝bβ+dd =b2- (ρ2+ b β )22 (ρ2+ b β )]]>式中，b是上述渐开线的基圆半径。
3.一种旋转式流体机器，它包括分别具有大体上相同的形状并以互相嵌套的关系布置成在其中互相错开180度的固定螺旋形装置和回转螺旋形装置，回转螺旋形装置宜于以回转运动半径ρ按太阳运动关系相对于固定螺旋形装置回转，其中上述两个螺旋形装置分别用由一条渐开线组成的径向外曲线、由带有半径为R的一段内部圆弧的另一条渐开线组成的径向内曲线、以及带有半径为r的一段圆弧并把上述径向外曲线与上述半径为R的圆弧连接光滑连接的一条连接曲线来定义，并且其中在上述两个螺旋形装置之间提供一个小空隙或间隙，当以这样的方式安装成互相啮合关系时，在角参数β所确定的定义真正渐开线的边界点稍微往外的区域内的由角参数(β+△β)所确定的两点之间的范围内，上述整个内曲线和连接曲线或其部分可以脱离上述互相啮合的关系，即R＝ρ+bβ+dr＝bβ+dd =b2- (ρ2+ b β )22 (ρ2+ b β )]]>式中，b是上述渐开线的基圆半径。
专利摘要
一种旋转式流体机器，它包括分别具有大体上相同形状的固定螺旋形构件和回转螺旋形构件。其中两个螺旋形构件分别定义成具有由一条渐开线组成的径向外曲线段，由另一条渐开线和半径为R的一段内部圆弧组成的径向内曲线段、以及把径向外曲线段与半径为R的圆弧光滑连接的半径为r的一段圆弧的轮廓，从而保证螺旋形构件上最小可能的加工误差并由此缩短加工时间周期。或者其中在两个螺旋形构件之间提供一个小空隙或间隙，以这样的方式安装成互相啮合关系，由此保证整个旋转式流体机器的长使用寿命和高效率性能。
文档编号F04C2/00GK85104862SQ85104862
公开日1987年3月4日 申请日期1985年6月25日
发明者平野隆久, 萩本清 申请人:三菱重工业株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan