專利名稱：一種扭葉羅茨鼓風機轉子型線的設計方法
技術領域：
本發明涉及一種羅茨鼓風機轉子，特別是一種扭葉羅茨鼓風機轉子型線的設計方法。
背景技術：
高效率、低噪音一直是羅茨鼓風機設計的發展方向。傳統扭葉羅茨鼓風機相比直葉羅茨鼓風機在降噪方面具有一定的優勢，但在效率方面差強人意。羅茨鼓風機是一種雙轉子壓縮式機械，轉子在不斷的吸、排氣過程中，進、排氣腔的大小會發生周期性變化，由此產生不均勻氣流作用于周圍介質而引起壓力脈沖，當基元容積(機殼與轉子圍成的區間)與排氣口相連通時，回流沖擊造成的壓力脈沖更為劇烈，進而產生強烈噪音，成為制約羅茨鼓風機發展應用的主要因素之一，研究結果表明，扭葉型羅茨鼓風機因其轉子嚙合方式可使基元容積不完全同時與排氣口相通，延緩了回流時間，減少了回流強度，可明顯降低噪音，然而，傳統的扭葉型羅茨鼓風機效率相對較低，這使得它的應用明顯受到了限制。長期以來，轉子型線的改進一直是專家學者們尋求設計高效率羅茨鼓風機的主要途徑，相關研究成果也不斷涌現。目前扭葉轉子型線常用的有外圓弧加包絡線型、內圓弧加包絡線型、漸開線型和擺線型四種。其中擺線型轉子雖運行平穩，但面積利用系數低(最高0.406)，故很少應用；其它三種型線轉子面積利用系數相對較高(0. 485、. 499)，而漸開線型轉子運行平穩度相比圓弧包絡線型轉子較差，噪音較高，故在實際應用中多為圓弧加包絡線型轉子。對于傳統的外圓弧加包絡線型線而言，徑距比(即Rm/2a)是影響其面積利用率系數的重要因素(2a為兩轉子的中心距，Rffl為葉輪外徑)，徑距比越大，葉型就顯得越瘦長，其面積利用系數也就越高，三葉圓弧包絡線型RmAa的適用取值范圍為0. 5589〈Rm/2a〈0. 7358。當Rm/2a值小于0. 5589時，會出現如圖I所示形狀，此時的型線不存在凹凸并存，轉子密封性差，而且葉型短胖，面積利用系數低，一般很少采用。當Rm/2a值大于0. 7358時，則在Gtl點處出現角點如圖2所示，這時面積利用系數雖有所提高，但出現干涉，去除角點后嚙合時密封性能也很差，無法使用。
發明內容
本發明的目的是為了克服以上的不足，提供一種用漸開線代替轉子角點處的畸形型線，避免出現干涉現象，保證了密封性，提高面積利用系數，提高工作效率的扭葉羅茨鼓風機轉子型線的設計方法。本發明的目的通過以下技術方案來實現一種扭葉羅茨鼓風機轉子型線的設計方法，包括以下步驟
A、確定鼓風機的轉子個數以及兩個轉子的參數設定兩個轉子，轉子繞其中心O1順時針轉動a角，轉子繞其中心O2逆時針轉動相同的角度，將兩個轉子和機架固定，這樣兩個轉子之間的相對運動就是整個機構繞著O1逆時針轉動a角，兩個轉子的嚙合點為G點，兩個轉子的節圓相切點為P點，將O1和O2兩個點用直線相連，P點為直線的中點，兩個轉子的一對共軛曲線經過G點時的公法線經過P點，并經過轉子葉峰圓弧圓心F2，將G點與F2用直線相連，G點和F2之間的直線為葉峰圓弧半徑r，F2和轉子的中心O2之間的距離為葉峰圓心與葉輪中心之間的距離b ；
B、確定葉峰圓弧與包絡線段的型線參數方程過O1作GF2的平行線，交O2F2的延長線于點H，O1H與O1X軸的夾角為P，過點O2作O1Y軸的平行線，交O1X軸于點K，過點F2作O1X軸的平行線交O2K于點L，且點G在F2L的垂足為點M，過點H作O1X軸的平行線交O2K的延長線于點J，作O1X軸的垂直線HI，由其中的幾何關系可得出圓弧段型線的參數方程為
fX = .6 cos60 + r■ rsos(-ZGF.2H +60° ) [jf = i - sm 60 4~r, sin(-ZGF2// +60° )
式中=o丄克辦2-2ai.CoSf，其中z為葉輪頭數，此處葉輪頭數 ZlOF2H 2a + ^2z
為3,因此
O1I - O1K- HJ - O1K- 2 ■ F2L - O1O2 ■ cos a- 2' O2F2 cos 2a=2a. ■ cosa-'2h. cos 2a
HI = O2J — OiK = O2H. sm Za — O1O3 sirs ar = 2.02O3 sm 2a- O1Q sin a = . Stn 2a -Iasma-
O1H —+(.//IJ — 2^Ja2 + — 2ah ■ cos cc
sm B= HI 10,H = (b ■ sin sin a) / Ja2 +b2 - 2ab- cos a
得:‘ {.............,....................................,............................:-
cos fi = O1I / O1H = (a cos a-b cos 2a) / +b - 2ab. cos a
因為O1HzVF2G,則ZGiykf= P，嚙合點G(Xl，Y1)在坐標系X1O1Y1中的坐標為
Jz1 = O1K — F2L — MF2 = 2a ■ cos a-b- cos 2a-r- cos fi l) i = O2K-O2L + OM = 2a sma'-i - sm 2a +r. sm
因此得到的上式為包絡線段的型線參數方程；
C、確定漸開線確定圓弧與包絡線的參數方程中的參數值，得到任一個轉子新的型線，BC為漸開線，GB為圓弧包絡線，CH為圓弧，漸開線的基圓半徑T1即為包絡線終點到轉子中心0的距離，包絡線的終點即為漸開線的起點，漸開線的終點即為圓弧的終點，由此可得漸開線參數方程
Z2 = T1 ■ cos(y + <)P) + Sin(,y + ^) - T1 ■
180
=+ 勸-cos(K+9 ) ■ r\ ■ (p
wi5U
其中/T2 , a , retail,為漸開線展角；
ri = + %X1 <p
D、進行數值模擬分析將步驟C中得到的型線方程，在Pro/E軟件平臺上建立其參數化三維模型，其中扭葉型鼓風機為三葉轉子，扭轉角為60°，兩嚙合轉子的扭轉方向相反，建模后觀察兩嚙合轉子在旋轉時各位置的干涉情況，設定轉子外圓半徑繞轉子中心旋轉一周所掃過的面積為Stl，轉子橫截面積為S1，則面積利用系數Q=I- (S0-S1)/ Stl，令中心距相同且且圓弧加包絡線型線徑距比(Rm/2a)為最大值，通過參數化建模在Pro/E平臺上可快速測量出各型線轉子的相關幾何參數。本發明與現有技術相比具有以下優點改進后的轉子型線引用漸開線進行拐點處的過度，不僅避免出現干涉現象，保證了密封性，且突破了傳統圓弧加包絡線葉型徑距比的適用范圍，在中心距一定的情況下，改進后的型線轉子外圓直徑相對較大，轉子更顯瘦長，從而提高了面積利用系數，提升了工作效率。
圖I為三葉圓弧包絡線型Rm/2a值小于0. 5589時的結構示意 圖2為三葉圓弧包絡線型Rm/2a值大于0. 7358時，在Gtl點處出現角點結構示意 圖3為兩個轉子嚙合結構示意 圖4為本發明轉子改進后的型線結構示意 圖中標號1、2_轉子。
具體實施例方式 為了加深對本發明的理解，下面將結合實施例和附圖對本發明作進一步詳述，該實施例僅用于解釋本發明，并不構成對本發明保護范圍的限定。本發明示出了一種扭葉羅茨鼓風機轉子型線的設計方法的
具體實施方式
，如圖3所示假設轉子I繞著其中心O1順時針轉動a角，轉子2繞著其中心O2逆時針轉動相同的角度，為了便于理解相對運動關系而作，因此假設將轉子I、轉子2和機架固定，轉子間的相對運動可看作整個機構繞著O1逆時針轉過《角，其中兩個轉子在G點嚙合，兩個節圓在P點相切，點P為O1O2的中點，兩共軛曲線在G點的公法線必經過點P，并經過O2轉子葉峰圓弧圓心F2, GF2即為葉峰圓弧半徑記為r，F2 O2為葉峰圓心到葉輪中心的距離記為b，過O1作GF2的平行線，交O2F2的延長線于點H，O1H與O1X軸的夾角為P，過點02作O1Y軸的平行線，交O1X軸于點K，過點F2作O1X軸的平行線交O2K于點L，且點G在F2L的垂足為點M，過點H作O1X軸的平行線交O2K的延長線于點J，作O1X軸的垂直線HI，由其中的幾何關系可得出圓弧段型線的參數方程為
(x = h - cos 60 + r ■ cos(-ZlGF2H +60° )
\y = h sm 60+r. sm(-ZGP2H +60° )
r-^
式中 = O .々，根據F = ^J1S2+i 2cos4，Z為葉輪頭數,此處取3。 IGF2H 2a +%2z由圖3可知
O1I = O1K — HJ = O1K-2- F2L = O1O2 ■ cos a — 2 ■ O2F2 cos 2^=2 a ■ cos 26 ■ cos 2ct
HI = O2J 一 O2K = OzH. 2a’ - O1O2 - sin 2- O2O2 * sm 2⑶一O1CK. sm a = 2b- sm 2a 2asm a!O1H = ) +(/f/) = +^2 _ 2。厶 cos a
sin B= Hi / O'H = (b- sin 2a —asm a) / Ja2 ~hh2 — 2ah cos a 得 ^}__
cos p = O1I / O1H = (a cosa-hcos 2a) f ^Ja2 +i — 2ah ■ cos a
因為O1HM72G,則ZGi^2Af = fi，嚙合點GU1, Y1)在坐標系X1O1Y1中的坐標為
jX1 = O1K- F2L — MF2 = 2a ■ cos a-b ■ cos 2a-r ■ cos p Ij1 = O2K — O2L + GM = 2a -sina — b sm 2a+r ■ sin
此為圓弧包絡線段的型線參數方程。對于漸開線參數方程的確定，首先要計算出圓弧與包絡線的參數方程中的參數 值，如圖4所示為改進后的型線BC為漸開線，GB為包絡線，CH為圓弧，漸開線的基圓半徑r,即為包絡線終點到轉子中心0的距離，包絡線的終點即為漸開線的起點，漸開線的終點即為圓弧的終點，由此可得漸開線參數方程
JT
X2 = rx -cos{y++ ^-T1- ^P
IoU
<
TT
72 = rI - sMr+ 9) - cos (y +初.F1 ■ — - (p
wIoU
其中r 一 /r2 + v2 , y = arctan^ ,為漸開線展角，以中心距2a=84為例，其中， h — fi +7iX1 (p
Rm/2a=0. 7526，聯立
(x=b- cos 60 + r- cos (-ZGF2Jz/ +60。)
[jf = i - sm 60 +r, sin(-ZGF2// +60° )
sin fi= Hli O1H = (b- sin 2a-asm a) / 如2 +i 2 — 2ab * cos acos,5= O1// O1H = (a cosa-hcos 2d) I +i2 — 2 以辦 cos O1
I X1 = O1K- F2L - MF2 = fIa . cos a-b ■ cos 2a-r- cos t0I^v1 = O2^T - O2L + OM = 2a'Sm a-b- sm 2a - sm ^
( = q. cos(j+ 勸 + smir + ^p)
I bu
.:
Tl
W sm(r+ ￠) — eos(y + 勸.q . ^r.爐 wIoU
這四式可得到 =2. 1625，￠=71. 83431，漸開線基圓半徑1^=41. 24，漸開線展開角度為免=42. 2659。這樣的參數設計打破了徑距比Rm/2a值的限定，既可以提高面積利用系數，又避免了出現角點的尷尬，然后根據上述改進的型線方程，可在Pro/E平臺上建立其參數化三維模型，扭葉型鼓風機一般為三葉轉子，且扭轉角為60°，兩嚙合轉子的扭轉方向相反，通過Pro/E建模后顯示轉子機構在旋轉的各個位置均無干涉發生，設定轉子外圓半徑繞轉子中心旋轉一周所掃過的面積為Stl，轉子橫截面積為S1，則面積利用系數Q=I-(Stl-S1)/ S0,令中心距相同且且圓弧加包絡線型線徑距比(Rm/2a)為最大值，通過參數化建模在Pro/E平臺上可快速測量出各型線轉子的相關幾何參數，將不同型線參數對比，如下表所示
權利要求
1.一種扭葉羅茨鼓風機轉子型線的設計方法，其特征在于，包括以下步驟 A、確定鼓風機的轉子個數以及兩個轉子的參數設定兩個轉子(1、2)，轉子(I)繞其中心O1順時針轉動a角，轉子(2)繞其中心O2逆時針轉動相同的角度，將兩個轉子(1、2)和機架固定，這樣兩個轉子(1、2)之間的相對運動就是整個機構繞著O1逆時針轉動a角，兩個轉子(1、2)的嚙合點為G點，兩個轉子(1、2)的節圓相切點為P點，將O1和O2兩個點用直線相連，P點為直線的中點，兩個轉子(1、2)的一對共軛曲線經過G點時的公法線經過P點，并經過轉子(2)葉峰圓弧圓心F2，將G點與F2用直線相連，G點和F2之間的直線為葉峰圓弧半徑r，F2和轉子(2)的中心O2之間的距離為葉峰圓心與葉輪中心之間的距離b ； B、確定葉峰圓弧與包絡線段的型線參數方程過O1作GF2的平行線，交O2F2的延長線于點H，O1H與O1X軸的夾角為P，過點O2作O1Y軸的平行線，交O1X軸于點K，過點F2作O1X軸的平行線交O2K于點L，且點G在F2L的垂足為點M，過點H作O1X軸的平行線交O2K的延長線于點J，作O1X軸的垂直線HI，由其中的幾何關系可得出圓弧段型線的參數方程為
全文摘要
本發明公開了一種扭葉羅茨鼓風機轉子型線的設計方法，通過在已有型線中圓弧和包絡線的相交處引入漸開線，從而在避免型線干涉,保證轉子密封性能的同時,又提高了轉子的徑距比。本發明具有提高面積利用系數，提高工作效率的優點。
文檔編號F04C18/14GK102767523SQ20121028687
公開日2012年11月7日 申請日期2012年8月14日 優先權日2012年8月14日
發明者張小萍, 王君澤, 王金華, 瞿暢, 肖芝 申請人:南通大學, 南通天成機械有限公司