降低噪音的螺桿式機器的制造方法
【專利摘要】描述了降低噪音的螺桿式膨脹機，其包括主轉子和柵門轉子，每個具有“N”型面。轉子設計成使得由壓力引起的柵門轉子上的扭矩與由摩擦阻力引起的柵門轉子上的扭矩在相同的方向。還描述了設計呈現降低的噪音的螺桿式機器的方法。該螺桿式機器具有兩個或更多個具有“N”型面的轉子，且方法包括確定比值r/r1，其中r是主轉子齒頂高且r1是齒條圓側面的半徑，且確保在螺桿式機器是螺桿式壓縮機的情況下該比值大于1.1，或在螺桿式機器是螺桿式膨脹機的情況下該比值小于或等于1.1。
【專利說明】降低噪音的螺桿式機器
[0001] 本發明通常涉及螺桿式機器（screwmachine)，且更具體地涉及具有降低噪音水平 的螺桿式機器。本發明還涉及用于制造具有降低噪音水平的螺桿式機器的設計原理和方 法，和用于這種機器的轉子。
[0002] 最成功的容積式機器之一是多螺桿式機器，其最常見的實施為雙螺桿式機器。此 類機器公開于Svenska Rotor Maskiner(SRM)的英國專利號GB 1197432、GB 1503488和GB 2092676 中。
[0003] 螺桿式機器可用作壓縮機或膨脹機。容積式壓縮機通常用于供應用于一般工業應 用的壓縮空氣，諸如電力空氣操作的建筑機械，同時在發電中使用容積式膨脹機日益流行。 用作壓縮機的螺桿式機器在本說明書中將被簡稱為螺桿式壓縮機，同時用作膨脹機的螺桿 式機器在本文中將被簡稱為螺桿式膨脹機。
[0004] 螺桿式壓縮機和螺桿式膨脹機包括具有至少兩個相交的孔的殼體。孔容納相應的 嚙合的螺旋波瓣式轉子，其在固定的殼體內逆旋轉。殼體以極其緊密貼合的方式完全地包 圍轉子。孔的中央縱向軸線是成對共面的，并且通常平行。陽（或"主"）轉子和陰（或"柵 門"）轉子在軸承上被安裝到殼體上，以繞其各自的軸線旋轉，其中每個線與在殼體中孔軸 線中相應的一個相一致。
[0005] 轉子通常由金屬制成，諸如低碳鋼，但它們也可由高速鋼制成。轉子也可能由陶瓷 材料制成。通常，如果由金屬制成，它們被機械加工，但是可替代地，它們可被研磨或鑄造。
[0006] 每個轉子具有螺旋刃帶（helical land)，其與至少一個其它的轉子的刃帶之間的 螺旋凹槽嚙合。嚙合的轉子有效地形成一對或更多對螺旋齒輪，其中其波瓣（lobe)充當 齒。在橫截面中觀察，所述或每個陽轉子具有一組對應于刃帶的波瓣且從其節圓向外突出。 同樣在橫截面中觀察，所述或每個陰轉子具有一組從其節圓向內延伸的凹陷，且對應于陰 轉子的凹槽。陽轉子的刃帶和凹槽的數量可與陰轉子的刃帶和凹槽的數量不同。
[0007] 轉子型面的現有技術的實例在附圖的圖1(a)至1(d)和2(a)至2(d)中示出且將 在后面更詳細地描述。
[0008] 螺桿式壓縮機或螺桿式膨脹機的操作原理以在三維空間中的體積變化為基礎。每 個轉子的任何兩個連續的波瓣和圍繞的殼體之間的空間形成獨立的工作腔室。由于兩個轉 子之間的接觸線的位移，這個腔室的體積可隨著旋轉前進而變化。當波瓣之間的整個長度 通過轉子之間的嚙合接觸暢通無阻時，腔室的容積為最大。相反地，當在端面處在轉子之間 存在完全嚙合接觸時，腔室的容積為最小，具有接近零的值。
[0009] 考慮螺桿式膨脹機的實例，待膨脹的流體通過形成高壓或入口端口的開口進入螺 桿式膨脹機，該開口主要位于殼體的前平面中。從而，容許的流體填充在波瓣之間限定的腔 室。隨著旋轉前進和轉子之間的接觸線后退，每個腔室中受限制的容積增加。在入口端口 被切斷的點處，填充或進入過程終止，且隨著流體向下移動通過螺桿式膨脹機，進一步的旋 轉導致流體膨脹。
[0010] 進一步向下，在陽轉子和陰轉子波瓣開始重新接合的點處，露出殼體中的低壓或 排出端口。該端口隨著進一步的旋轉降低波瓣和殼體之間受限制的流體的體積而進一步打 開。這導致流體通過排放端口在大致恒定的壓力下排放。該過程繼續進行，直到受限制的 容積減小到幾乎為零，且波瓣之間受限制的基本上所有流體被排出。
[0011] 然后，對每個腔室重復該過程。因此，依賴于陽轉子和陰轉子中波瓣的數量，和因 此的波瓣之間的腔室的數量，存在在每個旋轉中實現的填充、膨脹和排放過程的連續。螺桿 式膨脹機的一個轉子通常連接到用于發電的發電機。
[0012] 螺桿式壓縮機基本上與螺桿式膨脹機反向操作。例如，如果螺桿式膨脹機的轉子 以相反的方向轉動（例如，通過如馬達操作發電機），然后待壓縮的流體將通過低壓端口被 吸入，且被壓縮的流體將通過高壓端口被驅逐。
[0013] 隨著轉子轉動，波瓣的嚙合動作基本上與螺旋齒輪的嚙合動作相同。此外，然而， 波瓣的形狀必須使得在任意接觸位置，在轉子之間和在轉子與殼體之間形成密封線，以防 止連續的腔室之間的內部泄漏。進一步的要求是波瓣之間的腔室應盡可能大，以便最大化 每轉的流體位移。另外，轉子之間的接觸力應該低，以最小化內部的摩擦損失且最小化磨 損。
[0014] 由于制造限制規定了轉子之間和轉子與殼體之間存在小間隙，所以轉子型面是在 確定螺桿式機器的流量和效率中最重要的特征。多年來，幾種轉子型面都試過了，取得了不 同程度的成功。
[0015] 最早的螺桿式機器使用了非常簡單的對稱轉子型面，如圖1(a)中所示。在橫截面 中觀察，陽轉子10包括繞節圓等角間隔開的部分圓形的波瓣12,其半徑的中心被定位在節 圓14。陰轉子16的型面利用一組相等的部分圓形的凹陷18簡單地反映了這點。諸如這種 的對稱的轉子型面具有非常大的吹孔面積，其產生顯著的內部泄漏。這不包括來自涉及高 壓比值或甚至中壓比值的任何應用的對稱轉子型面。
[0016] 為了解決這個問題，SRM引入其"A"型面，在圖1(b)中所示且在上述的英國專利 號GB 1197432、GB 1503488和GB 2092676中以各種形式公開。"A"型面大大降低內部泄 漏，且從而使螺桿式壓縮機實現與往復機同階的效率。在圖1(c)中所示的Cyclon型面甚 至進一步減少泄漏，但以弱化陰轉子16的波瓣為代價。這具有在高壓力差下陰轉子16變 形的風險，并使其難以制造。在圖1(d)所示的Hyper型面試圖通過加強陰轉子16來克服 此問題。
[0017] 在所有的上述現有技術的轉子型面中，嚙合的轉子之間的相對運動是旋轉和滑動 的組合。
[0018] 在此背景下，本 申請人:開發了"N"轉子型面，如在其公布為WO 97/43550的國際專 利申請中公開的。WO 97/43550的關鍵內容轉載如下。在本說明書中的參考"N"轉子型面 涉及在WO 97/43550描述和限定以及以下轉載的本發明的型面。
[0019] 該"N"轉子型面的特征在于，如在橫截面中觀察，陽轉子的節圓的向外突出的波瓣 的至少那些部分的型面和陰轉子的節圓的向內延伸的至少凹陷的型面由相同的齒條構造 (rack formation)產生。后者關于陽轉子軸線在一個方向上且關于陰轉子軸線在相反的方 向上彎曲，產生轉子的更高壓力側面的齒條的部分由轉子之間的轉子共軛作用產生。
[0020] 有利的是，齒條的一部分，優選地形成轉子波瓣的更高壓力側面的部分，具有擺線 形狀。可替代地，該部分可被成形為廣義拋物線，例如以下形式：ax+b/= 1。
[0021] 通常地，陽轉子的凹槽的底部位于節圓內部，作為"齒根"部分，且陰轉子的刃帶的 尖端向其節圓外部延伸，作為"齒頂"部分。優選地，還通過齒條構造產生這些齒根和齒頂 部分。
[0022] 在圖2 (a)的雙螺桿式機器的概略橫截面中示出的主或陽轉子1和柵門或陰轉子2 在其節圓P1I2上關于它們的中心O 1和O2滾動通過各自的角度Ψ，且τ =Z1A2U/ = Ψ/ i〇
[0023] 節圓P具有與各自轉子上的刃帶和凹槽的數量成比例的半徑。
[0024] 如果弧被界定在任一主轉子或柵門轉子上，作為角度參數Φ的任意函數，且用下 標d表不：
[0025] Xd = Xd ( ^) (1)
[0026] yd = yd (Φ) (2)
[0027] 在其它轉子上相應的弧為Φ和Ψ兩者的函數：
[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是主轉子的旋轉角度,對于該旋轉角度,初級和次級弧具有接觸點。這個角度滿 足 Sakun 在 Vintovie kompressori，MashgizLeningrad, 1960 中描述的共輒條件：
[0031 ] ( δ xd/ δ φ ) ( δ yd/ δ ψ ) - ( δ xd/ δ ψ ) ( δ yd/ δ φ ) = 〇 (5)
[0032] 這是所有"d"曲線的包絡線的微分方程。其展開形式為：
[0033] ( δ yd/ δ xd) ((a/i) sin Ψ ~kyd) - (- (a/i) cos Ψ +kxd) = 0 (6)
[0034] 這可表示為sin Ψ的二次方程。雖然其可解析求解，但是由于其混合根，推薦其數 值解。一旦確定，Ψ插在（3)和（4)，以獲得在相對的轉子上的共軛曲線。此程序需要僅一 個給定的弧的定義。其它弧總是由通用程序找到。
[0035] 這些方程是有效的，即使它們的坐標系被獨立于轉子定義。因此，在不參考轉子的 情況下指定所有"d"曲線是可能的。此類布置使得一些曲線以更簡單的數學形式表達，此 夕卜，可簡化曲線生成程序。
[0036] 這種類型的特殊的坐標系是齒條（無限半徑的轉子）坐標系，圖2(b)中如R表示， 其示出齒條的一個單元，用于產生在圖2(a)中示出的轉子的型面。然后，在齒條上的弧被 定義為參數的任意函數：
[0037] Xd = Xd ( ^) (7)
[0038] yd = yd (Φ) (8)
[0039] 在轉子上的次級弧來源于此，作為Φ和Ψ兩者的函數
[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表示當投影給定弧時轉子的旋轉角度，界定接觸點。這個角度滿足條件（5)，其 是：
[0043] (dyd/dxd) (rw Ψ -yd) - (rw~xd) = 0 (11)
[0044] 然后，明確的解Ψ插入到（9)和（10)以找到轉子上的共軛弧。
[0045] 圖2(c)示出了圖2(b)的齒條構造與圖2(a)中所示的轉子的關系，且示出了齒條 和由齒條產生的轉子。圖2(d)示出了通過比較的方式重疊在現有技術的轉子對上的在圖 2(c)所示的轉子的輪廓。
[0046] 無論何處給出曲線，其方便的形式可以是：
[0047] axl+ by3 = 1 (12)
[0048] 其是"一般圓"的曲線。對于p = q = 2和a = b = 1/r，其是一個圓。不相等的 a和b將為橢圓；a和b符號相反給出雙曲線；且p = 1和q = 2將給出拋物線。
[0049] 除了利用一個坐標系定義所有給定的曲線的便利性之外，齒條生產與轉子坐標系 相比提供了兩個優點：a)齒條型面代表與其它轉子相比的最短接觸路徑，這意味著，從齒 條的點將投影到轉子上而沒有任何重疊或其它缺陷；b)在該齒條上的直線將投影到轉子 上，作為漸開線。
[0050] 為了最小化對轉子型面的高壓側的吹孔區域，型面通常由兩個轉子的共軛作用產 生，其削弱了它們的高壓側。實踐中廣泛使用：在GB 1197432中，使用在主轉子和柵門轉子 上的奇異點；在GB 2092676和GB 2112460中使用圓；在GB 2106186中使用橢圓；且在EP 0166531中使用拋物線。適當的削弱是以前沒有直接從齒條上實現的。結果發現，在可精確 地替換轉子共軛作用的齒條上只存在一個解析曲線。這優選地是擺線，其被削弱為主轉子 上的外擺線和為柵門轉子上的內擺線。這與由奇異點（其產生兩個轉子上的外擺線）產生 的削弱形成對比。通過其節圓內的柵門轉子的外徑的相當大的減少，此方面的缺陷通常是 最小化的。這減少了吹孔面積，但也降低了生產能力。
[0051] 共軛作用是當一個轉子上的點（或曲線上的點）在旋轉期間切斷另一個轉子上的 其（或它們的）路徑時的一個過程。如果在同一時間存在兩個或更多個共同接觸點，則削 弱發生，其在型面中產生" 口袋"。當相當大的滑動發生時，如果小的曲線部分（或點）產生 長的曲線部分，其通常會發生。
[0052] 該"N"轉子型面克服這個缺陷，因為齒條的高壓部分是由削弱在齒條上的適當曲 線的轉子共軛作用而生成的。該齒條稍后由通常的齒條產生過程用于主轉子和柵門轉子兩 者的型面。
[0053] 下面是設計用于由組合程序獲得的空氣、常用的制冷劑和許多過程氣體的有效壓 縮的齒條生成型面系列的簡單轉子波瓣形狀的詳細描述。此型面包含在公開文獻中給出的 現代化螺桿式轉子型面的幾乎所有元素，但其特征提供了另外的細化和優化的堅實基礎。
[0054] 在這里相對于齒條坐標系總結了齒條上的所有初級弧的坐標。
[0055] 該型面的波瓣分為幾個弧。
[0056] 型面弧之間的分隔用大寫字母表示，且每個弧單獨定義，如圖2(c)所示。
[0057] A-B段是在齒條上的類型axg+ by^= 1的一般弧，其中P = 0. 43和q = 1。
[0058] B-C段是在齒條上的直線，p = q = 1。
[0059] C-D段是齒條上的圓弧，p = q = 2, a = b。
[0060] D-E段是齒條上的直線。
[0061] E-F段是齒條上的圓弧，p = q = 2, a = b。
[0062] F-G段是直線。
[0063] G-H段是弧G2-H2的削弱，該弧是主轉子上的類型ax》Dyl= 1的一般弧，p = l，q = 0· 75。
[0064] 齒條上的H-A段是弧A1-H1的削弱，該弧是主轉子上的類型ax> by:!= 1的一般弧， p = 1，q = 0· 25。
[0065] 在A、. . . H的每個結合點，相鄰段具有共同的切線。
[0066] 通過與方程（7)到（11)相反的過程獲得齒條坐標。
[0067] 結果是，獲得了齒條曲線E-H-A，且其在圖2 (c)示出。
[0068] 圖2 (d)示出由該齒條程序產生的主轉子和柵門轉子3、4的型面，其疊加在根據GB 2092676以5/7配置產生的相應轉子的眾所周知的型面5、6上。
[0069] 利用相同的中心之間的距離和相同的轉子直徑，齒條生成型面得到2. 7%的位移 增加，而陰轉子的波瓣更厚且因而更強。
[0070] 在圖2 (c)所示的齒條的修改中，GH和HA段由形式為：y = RtjCos τ -Rp，y = RtjSin τ -Rp τ，的擺線的連續段GHA形成，其中R。為主轉子（且因此其孔）的外半徑，而Rp 為主轉子的節圓半徑。
[0071] AB、BC、CD、DE、EF 和 FG 段都由以上等式（12)生成。對于 AB，a = b，p = 0.43， q = 1。對于其它部分，a = b = 1/r，且p = q = 2。p和q的值可在±10%內變化。對于 BC、DE和FG段，r大于主轉子的節圓半徑，且優選地為無窮大，使得每個此類種段是直線。 當p = q = 2時，⑶和EF段都是圓弧，其曲率a = b。
[0072] 上述"N"轉子型面基于傳動裝置的數學理論。因此，與前面參照圖1(a)至1(d) 描述的任何轉子型面不同，轉子之間的相對運動非常接近純滾動：轉子之間的接觸帶位于 非常靠近其節圓的位置。
[0073] "N"轉子型面具有優于其它轉子型面的許多附加優點，其包括低扭矩傳遞和因此 轉子之間小的接觸力、強陰轉子、大的位移和導致低泄漏的短的密封線。整體的其使用提高 了螺桿式膨脹機的絕熱效率，尤其是在較低的尖端速度下，其中在當前使用中超過其它轉 子型面高達10%的收益已被記錄。
[0074] 螺桿式機器可能是"無油的"或"油冷的"。在無油機器中，轉子的螺旋構造是非潤 滑的。因此，外部嚙合"定時"齒輪必須被提供以管理和同步轉子的相對運動。轉子之間的 同步扭矩的傳遞是經由定時齒輪實現的，因此其避免了轉子的嚙合螺旋構造之間的直接接 觸。以這種方式，定時齒輪允許轉子的螺旋構造為無潤滑劑的。在油冷機器中，外部定時齒 輪可省略，使得轉子的同步通過它們的嚙合關系來唯一地決定。這必然意味著經由它們的 嚙合螺旋構造從一個轉子到另一個轉子的同步扭矩的一些傳遞。在這種情況下，轉子的螺 旋構造必須是潤滑的，以避免在轉子之間硬接觸，及隨之發生的磨損和可能的咬粘。
[0075] 油冷機器依賴于在工作流體中攜帶的油，以潤滑轉子的螺旋構造和它們的軸承， 且以密封轉子之間以及轉子和周圍殼體之間的間隙。其需要外部軸密封但不需要內部密 封，且在機械設計中是簡單的。因此，制造成本低，緊湊且高效。
[0076] 與現有的螺桿式機器相關的一個問題是噪音。螺桿式機器中產生的噪音的顯著部 分源于涉及其活動部件的接觸，特別是轉子、齒輪和軸承。這種機器噪音由于壓力和慣性扭 矩連同由周向地作用在驅動的轉子上的油阻力引起的扭矩一起而由轉子之間的接觸引起。 其也由于因徑向和軸向壓力和慣性力引起的轉子軸和軸承之間的接觸。這些力應盡可能一 致，以最小化噪音。不幸的是，由于壓力負載的周期性質，產生轉子接觸力的徑向力和軸向 力以及轉子扭矩是不均勻的。此外，在轉子制造和壓縮機組件中的缺陷顯著地有助于轉子 的非均勻運動，這導致非均勻的接觸力。
[0077] 如果接觸力強度變化，轉子"振動"將發生。當轉子仍與彼此接觸時，這種噪音是由 轉子產生的。然而，如果轉子接觸瞬間丟失且然后重建，這可產生嚴重的噪音，這被稱為轉 子"格格聲"。轉子之間的接觸的損失由與轉子之間的點接觸組合的制造和裝配缺陷引起， 或由驅動的轉子扭矩的信號（反轉）變化引起。
[0078] 隨著環境保護法變得更加嚴格，減少來自所有形式的機械的噪音水平的要求增 力口，且因此來自螺桿式機器的無聲或低噪音水平的要求變得更加顯著。盡管以前已經做出 減少螺桿式機器的噪音水平的嘗試，但是一般的優化方法是重復的試驗和改進過程。所得 到的轉子普遍遭受效率損失，且因此希望尋求以最小化性能損失的方式產生降低噪音的型 面的手段。
[0079] 降低螺桿式壓縮機噪音的科學方法已經被 申請人:開發，且在Stostic等人 之前出版的題為"Development of a Rotor Profile for Silent Screw Compressor Operation無聲螺桿式壓縮機操作的轉子型面的發展）"的文章中描述。該文章的內容在 下面將參考圖3 (a)-(c)和圖4(a)和4(b)被討論。
[0080] 參照圖3 (a)-3(C)，螺桿式壓縮機的轉子經受高壓負載。對于任何瞬時旋轉角q， 壓力Ρ(θ)在任何橫截面處形成徑向力和扭轉力。壓力P垂直于線AB而作用于相應的波 瓣間（interlobe)，其中A和B在轉子之間的密封線上或在轉子尖端上。因此，它們的位置 完全由轉子幾何形狀界定。
[0081] 在圖3(a)中所示的位置，在轉子之間不存在接觸。由于A和B在圓上，總力F1和 F2朝向轉子軸線作用且是純粹徑向的。因此在此位置不存在由壓力引起的扭矩。在圖3(b) 中所示的位置，在A處在轉子之間僅存在一個接觸點。力F 1和F2是偏心的且具有徑向和周 向分量。周向分量引起壓力扭矩。由于力的位置，在柵門轉子上的扭矩顯著小于在主轉子 上的扭矩。在圖3(c)所示的位置，兩個接觸點在轉子上，對于兩個轉子來說，總力和徑向力 相等。這些也引起扭矩，如在圖3(b)中。坐標系在主轉子的中心具有其x，y原點，且X軸 平行于轉子中心O 1和O2之間的線。
[0082] 徑向力分量是：
【權利要求】
1. 一種螺桿式膨脹機，包括主轉子和柵門轉子，所述主轉子和柵門轉子每個具有如本 文所定義的"N"型面，其中所述轉子被設計成使得由壓力引起的所述柵門轉子上的扭矩與 由摩擦阻力引起的所述柵門轉子上的扭矩在相同的方向。
2. 根據權利要求1所述的螺桿式膨脹機，其中所述轉子被設計成使得在所述螺桿式膨 脹機的操作期間，所述轉子之間的接觸發生在轉子平側面處。
3. 根據權利要求1或權利要求2所述的螺桿式膨脹機，其中所述轉子從齒條構造產生， 其中比值r/ri小于或等于1. 1，其中r是主轉子齒頂高且ri是齒條圓側面的半徑。
4. 一種設計呈現降低的噪音特性的螺桿式機器的方法，所述螺桿式機器包括兩個或更 多個具有如本文定義的"N"型面的轉子，所述"N"型面從齒條構造產生，其中所述方法包 括：確定比值r/ri，其中r是主轉子齒頂高且ri是齒條圓側面的半徑，以及確保在所述螺桿 式機器是螺桿式壓縮機的情況下該比值大于1. 1，或在所述螺桿式機器是螺桿式膨脹機的 情況下該比值小于或等于1.1。
5. -種制造螺桿式機器的方法，所述螺桿式機器呈現降低的噪音特性且具有兩個或更 多個具有如本文定義的"N"型面的轉子，所述"N"型面從齒條構造產生，其中所述方法包 括：確定比值r/ri，其中r是主轉子齒頂高且ri是齒條圓側面的半徑，以及確保在所述螺桿 式機器是螺桿式壓縮機的情況下該比值大于1. 1，或在所述螺桿式機器是螺桿式膨脹機的 情況下該比值小于或等于1. 1。
6. -種螺桿式機器，其根據權利要求4所述的方法設計或根據權利要求5所述的方法 制造。
7. -種發電機，包括：權利要求1到3中任一項所述的螺桿式膨脹機，或根據權利要求 4所述的方法設計的或根據權利要求5所述的方法制造的螺桿式膨脹機。
【文檔編號】F04C18/16GK104379936SQ201380032627
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年4月3日 優先權日:2012年4月19日
【發明者】尼古拉·魯迪·斯托西奇 申請人:城市大學