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申请/专利权人：中国石油大学(华东)

摘要：本发明公开了一种变截面涡旋齿的涡旋膨胀机，其静涡旋齿101的组成型线由4段光滑连接的曲线组成，依次为：第一三角函数渐开线AE、第一圆弧AB、第二圆弧BC和第四三角函数渐开线CD；动涡旋齿201的组成型线由4段光滑连接的曲线组成，依次为：第二三角函数渐开线FJ、第三圆弧FG、第四圆弧GH和第三三角函数渐开线HI；在工作过程中，静涡旋齿101和动涡旋齿201之间能够实现完全正确啮合。所提出的变截面涡旋齿的涡旋膨胀机，涡旋齿型线组成简单，内容积比大且圈数少，泄漏线长度短；同时动涡旋齿的齿厚小，动涡旋齿质量小，旋转惯性力小，动力特性好；两组膨胀腔具有相同的内容积比。

主权项：1.一种变截面涡旋齿的涡旋膨胀机，包括：静涡旋1、动涡旋2、曲轴3、平衡铁4、支架体5和防自转机构6，其特征是：静涡旋1包括：静涡旋齿101、静涡旋盘102、换热槽103和吸气口104；静涡旋齿101的组成型线由4段光滑连接的曲线组成，依次为：第一三角函数渐开线AE、第一圆弧AB、第二圆弧BC和第四三角函数渐开线CD；其中，第二圆弧BC和第四三角函数渐开线CD为静涡旋齿101的内侧型线，第一三角函数渐开线AE和第一圆弧AB为静涡旋齿101的外侧型线；静涡旋齿101的第一三角函数渐开线AE和第一圆弧AB在其连接点A光滑连接，第二圆弧BC和第四三角函数渐开线CD在其连接点C光滑连接；静涡旋齿101的齿厚由外圈向中心先增大、后减小、再增大；所述的静涡旋1在静涡旋齿101的齿厚较大处开设换热槽103；动涡旋2包括：动涡旋齿201和动涡旋盘202；动涡旋齿201的组成型线由4段光滑连接的曲线组成，依次为：第二三角函数渐开线FJ、第三圆弧FG、第四圆弧GH和第三三角函数渐开线HI；其中，第二三角函数渐开线FJ和第三圆弧FG为动涡旋齿201的内侧型线，第四圆弧GH和第三三角函数渐开线HI为动涡旋齿201的外侧型线；动涡旋齿201的第二三角函数渐开线FJ和第三圆弧FG在其连接点F光滑连接，第四圆弧GH和第三三角函数渐开线HI在其连接点H光滑连接；动涡旋齿201除中心处外，其齿厚不变，为等齿厚；动涡旋齿201在公转平动的工作过程中，动涡旋齿201和静涡旋齿101能够实现正确的啮合，即动涡旋齿201的第二三角函数渐开线FJ、第三圆弧FG、第四圆弧GH、第三三角函数渐开线HI分别与静涡旋齿101的第一三角函数渐开线AE、第一圆弧AB、第二圆弧BC、第四三角函数渐开线CD能够实现正确的啮合。

全文数据：一种变截面涡旋齿的涡旋膨胀机技术领域本发明属于膨胀机工程技术领域，特别涉及一种变截面涡旋齿的涡旋膨胀机。背景技术涡旋膨胀机作为一种能量转换装置，具有结构简单、零部件少、体积小、噪声低和能量转换效率高的优点，已经被应用于制冷、有机朗肯循环、低温余热回收领域。涡旋膨胀机主要是依靠动、静涡旋盘相互啮合形成数对封闭腔，高压气体进入涡旋膨胀机，推动动涡旋盘公转平动，封闭腔的容积出现周期性变化，从而实现气体对外膨胀做功，因此涡旋齿的型线直接影响了涡旋膨胀机的工作性能，故涡旋齿的型线设计极其关键。当涡旋膨胀机膨胀比要求较高时，常用涡旋齿所需的圈数较多，由此会造成整机尺寸和泄漏线长度的增加，从而加剧泄漏。中国专利彭斌,孙迎,李超,张洪生,张力,郑玉巧.涡旋压缩机涡旋盘的涡旋齿及型线的生成方法[P].甘肃：CN102628439A,2012-08-08.公开了一种由圆渐开线、高次曲线、圆弧组合形成的变截面涡旋齿，和相同尺寸下的等截面涡旋齿相比，增加了压缩机的压缩比，减少了涡旋齿型线的长度和泄漏，但型线设计复杂，且动涡旋齿较厚，致使动涡旋齿质量较大，旋转惯性力大，降低其动力特性。美国专利ParkInwon,ChoiSeheon,LeeByeongchul,YooByungkil.Scrollcompressorwithanarcuateandalogarithmicspiralsections[P].USPatent:US9605675,2017-03-28.提出了一种涡旋压缩机，其静涡旋齿为变截面，动涡旋齿为等截面，动静涡旋齿型线均由对数螺线、多曲线、圆弧组成，能够提高吸气量、增加压缩比，但其型线设计较为复杂。发明内容针对以上在大膨胀比要求下，涡旋齿所需圈数多、泄漏线长，以及现有变截面涡旋齿型线设计复杂、动涡旋因质量大而动力特性差的问题，本发明提出一种变截面涡旋齿的涡旋膨胀机，其涡旋齿型线由三角函数渐开线和圆弧组成，能够实现完全正确啮合，型线设计简单，静涡旋齿的齿厚由外圈向中心先增大、后减小、再增大，能够减少涡旋齿圈数和泄漏线长度，减少泄漏量；同时动涡旋齿除中心处外，其齿厚不变，为等齿厚且齿厚较小，在中心处齿厚增加，动涡旋质量小，旋转惯性力小，动力特性好，且齿头强度较高；在静涡旋上开设换热槽，能够用于强化工作介质与外界的换热；所提出的变截面涡旋齿的涡旋膨胀机对于丰富涡旋齿的型线类型、改善膨胀机工作性能有重要意义。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种变截面涡旋齿的涡旋膨胀机，包括：静涡旋、动涡旋、曲轴、平衡铁、支架体和防自转机构；静涡旋包括：静涡旋齿、静涡旋盘、换热槽和吸气口；静涡旋齿的组成型线由4段光滑连接的曲线组成，依次为：第一三角函数渐开线AE、第一圆弧AB、第二圆弧BC和第四三角函数渐开线CD；其中，第二圆弧BC和第四三角函数渐开线CD为静涡旋齿的内侧型线，第一三角函数渐开线AE和第一圆弧AB为静涡旋齿的外侧型线；静涡旋齿的第一三角函数渐开线AE和第一圆弧AB在其连接点A光滑连接，第二圆弧BC和第四三角函数渐开线CD在其连接点C光滑连接；静涡旋齿的齿厚由外圈向中心先增大、后减小、再增大；所述的静涡旋，在静涡旋齿的齿厚较大处开设换热槽；动涡旋包括：动涡旋齿和动涡旋盘；动涡旋齿的组成型线由4段光滑连接的曲线组成，依次为：第二三角函数渐开线FJ、第三圆弧FG、第四圆弧GH和第三三角函数渐开线HI；其中，第二三角函数渐开线FJ和第三圆弧FG为动涡旋齿的内侧型线，第四圆弧GH和第三三角函数渐开线HI为动涡旋齿的外侧型线；动涡旋齿的第二三角函数渐开线FJ和第三圆弧FG在其连接点F光滑连接，第四圆弧GH和第三三角函数渐开线HI在其连接点H光滑连接；动涡旋齿除中心处外，其齿厚不变，为等齿厚；动涡旋齿在公转平动的工作过程中，动涡旋齿和静涡旋齿能够实现正确的啮合，即动涡旋齿的第二三角函数渐开线FJ、第三圆弧FG、第四圆弧GH、第三三角函数渐开线HI分别与静涡旋齿的第一三角函数渐开线AE、第一圆弧AB、第二圆弧BC、第四三角函数渐开线CD能够实现正确的啮合。所述的静涡旋齿的第一三角函数渐开线AE的方程为：所述的静涡旋齿的第一圆弧AB的方程为：所述的静涡旋齿的第二圆弧BC的方程为：式中：t—角度参数；xO1、yO1—第一圆弧AB的圆心O1的坐标；R1—第一圆弧AB的半径；xO2、yO2—第二圆弧BC的圆心O2的坐标；R2—第二圆弧BC的半径；C、k、ω、—常数；Ror—回转半径；δ—动涡旋齿的齿厚；在公转中心位置处，静涡旋齿和动涡旋齿的组成型线是法向等距关系，动涡旋齿的第二三角函数渐开线FJ由静涡旋齿的第一三角函数渐开线AE向外侧法向等距回转半径Ror得到，动涡旋齿的第三三角函数渐开线HI由动涡旋齿的第二三角函数渐开线FJ向外侧法向等距动涡旋齿的齿厚δ得到，静涡旋齿的第四三角函数渐开线CD由动涡旋齿的第三三角函数渐开线HI向外侧法向等距回转半径Ror得到，动涡旋齿的第三圆弧FG、第四圆弧GH分别由静涡旋齿的第一圆弧AB、第二圆弧BC向外侧法向等距生成，法向等距的距离均为回转半径Ror。所述的变截面涡旋齿的涡旋膨胀机，当动涡旋齿的内侧型线上的最外点J处于啮合时，动涡旋齿的内侧型线与静涡旋齿的外侧型线形成第一膨胀结束腔，其容积为S12；当静涡旋齿的内侧型线上的最外点D处于啮合时，静涡旋齿的内侧型线与动涡旋齿的外侧型线形成第二膨胀结束腔，其容积为S22；当静涡旋齿的内侧型线上的最内点B和动涡旋齿的内侧型线上的最内点G处于啮合时，动涡旋齿的外侧型线和静涡旋齿的内侧型线形成第一膨胀开始腔，其容积为S21，动涡旋齿的内侧型线和静涡旋齿的外侧型线形成第二膨胀开始腔，其容积为S11；两组膨胀结束腔与对应的膨胀开始腔的容积比相等，即一种涡旋压缩机，使用所述的一种变截面涡旋齿。一种涡旋真空泵，使用所述的一种变截面涡旋齿。本发明的有益结果为：①所提出的变截面涡旋齿的涡旋膨胀机的涡旋齿型线采用三角函数渐开线和圆弧，涡旋齿型线设计简单，两组膨胀腔具有相同的内容积比，并且静涡旋齿的齿厚由外圈向中心先增大、后减小、再增大，使涡旋膨胀机在高膨胀比要求下，所需涡旋圈数减少，泄漏线长度变短，降低泄漏量。②所提出的变截面涡旋齿的涡旋膨胀机，其动涡旋齿外圈处齿厚不变，为等齿厚且齿厚较小，在中心处齿厚增加，增加了涡旋齿强度，实现全啮合，且动涡旋齿质量小，旋转惯性力小，动力特性好。③所提出的变截面涡旋齿的涡旋膨胀机，在静涡旋齿的齿厚较大处开设换热槽，能够用于强化工作介质与外界的换热，增强换热效果，提高工作过程的热力性能。附图说明图1是变截面涡旋齿的涡旋膨胀机结构图。图2是公转中心位置处静涡旋齿101和动涡旋齿201图。图3是静涡旋1的结构图。图4是动涡旋2的结构图。图5是第一膨胀结束腔的容积S12图。图6是第二膨胀结束腔的容积S22图。图7是第一膨胀开始腔的容积S11和第二膨胀开始腔的容积S21图。图中：1—静涡旋，2—动涡旋，101—静涡旋齿，102—静涡旋盘，103—换热槽，104—吸气口，201—动涡旋齿，202—动涡旋盘，3—曲轴，4—平衡铁，5—支架体，6—防自转机构，AE—第一三角函数渐开线，AB—第一圆弧，BC—第二圆弧，CD—第四三角函数渐开线，FJ—第二三角函数渐开线，FG—第三圆弧、GH—第四圆弧，HI—第三三角函数渐开线，O—公转中心，O1—第一圆弧AB的圆心，O2—第二圆弧BC的圆心，O3—静涡旋1的中心，O4—动涡旋2的中心，J—动涡旋齿201的内侧型线上的最外点J，D—静涡旋齿101的内侧型线上的最外点D，B—静涡旋齿101的内侧型线上的最内点B，G—动涡旋齿201的内侧型线上的最内点G。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步说明。如图1所示，为变截面涡旋齿的涡旋膨胀机结构图，该涡旋膨胀机包括静涡旋1、动涡旋2、曲轴3、平衡铁4、支架体5和防自转机构6。如图2所示，为公转中心位置处静涡旋齿101和动涡旋齿201图，所述的静涡旋齿101和动涡旋齿201的型线采用了一种基于三角函数的变径基圆渐开线，即三角函数渐开线；所述的静涡旋齿101的第一三角函数渐开线AE的方程为：所述的静涡旋齿101的第一圆弧AB的方程为：所述的静涡旋齿101的第二圆弧BC的方程为：式中：t—角度参数；xO1、yO1—第一圆弧AB的圆心O1的坐标；R1—第一圆弧AB的半径；xO2、yO2—第二圆弧BC的圆心O2的坐标；R2—第二圆弧BC的半径；C、k、ω、—常数；Ror—回转半径；δ—动涡旋齿201的齿厚；在公转中心O位置处，即静涡旋1的中心O3和动涡旋2的中心O4重合，但无偏移，静涡旋齿101和动涡旋齿201的组成型线是法向等距关系，动涡旋齿201的第二三角函数渐开线FJ由静涡旋齿101的第一三角函数渐开线AE向外侧法向等距回转半径Ror得到，动涡旋齿201的第三三角函数渐开线HI由动涡旋齿201的第二三角函数渐开线FJ向外侧法向等距动涡旋齿201的齿厚δ得到，静涡旋齿101的第四三角函数渐开线CD由动涡旋齿201的第三三角函数渐开线HI向外侧法向等距回转半径Ror得到，动涡旋齿201的第三圆弧FG、第四圆弧GH分别由静涡旋齿101的第一圆弧AB、第二圆弧BC向外侧法向等距生成，法向等距的距离均为回转半径Ror。动涡旋齿201在公转平动的工作过程中，动涡旋齿201和静涡旋齿101能够实现正确的啮合，即动涡旋齿201的第二三角函数渐开线FJ、第三圆弧FG、第四圆弧GH、第三三角函数渐开线HI分别与静涡旋齿101的第一三角函数渐开线AE、第一圆弧AB、第二圆弧BC、第四三角函数渐开线CD能够实现正确的啮合。如图3所示，为静涡旋1的结构图，静涡旋1包括：静涡旋齿101、静涡旋盘102、换热槽103和吸气口104；静涡旋齿101的组成型线由4段光滑连接的曲线组成，依次为：第一三角函数渐开线AE、第一圆弧AB、第二圆弧BC和第四三角函数渐开线CD；其中，第二圆弧BC和第四三角函数渐开线CD为静涡旋齿101的内侧型线，第一三角函数渐开线AE和第一圆弧AB为静涡旋齿101的外侧型线；静涡旋齿101的第一三角函数渐开线AE和第一圆弧AB在其连接点A光滑连接，第二圆弧BC和第四三角函数渐开线CD在其连接点C光滑连接；静涡旋齿101的齿厚由外圈向中心先增大、后减小、再增大；所述的静涡旋1，在静涡旋齿101的齿厚较大处开设换热槽103，用于工作过程中强化工作介质与外界的换热。如图4所示，为动涡旋2的结构图，动涡旋2包括：动涡旋齿201和动涡旋盘202；动涡旋齿201的组成型线由4段光滑连接的曲线组成，依次为：第二三角函数渐开线FJ、第三圆弧FG、第四圆弧GH和第三三角函数渐开线HI；其中，第二三角函数渐开线FJ和第三圆弧FG为动涡旋齿201的内侧型线，第四圆弧GH和第三三角函数渐开线HI为动涡旋齿201的外侧型线；动涡旋齿201的第二三角函数渐开线FJ和第三圆弧FG在其连接点F光滑连接，第四圆弧GH和第三三角函数渐开线HI在其连接点H光滑连接；动涡旋齿201除中心处外，其齿厚不变，为等齿厚。如图5所示，为第一膨胀结束腔的容积S12图，当动涡旋齿201的内侧型线上的最外点J处于啮合时，动涡旋齿201的内侧型线与静涡旋齿101的外侧型线形成第一膨胀结束腔，其容积为S12。如图6所示，为第二膨胀结束腔的容积S22图，当静涡旋齿101的内侧型线上的最外点D处于啮合时，静涡旋齿101的内侧型线与动涡旋齿201的外侧型线形成第二膨胀结束腔，其容积为S22。如图7所示，为第一膨胀开始腔的容积S11和第二膨胀开始腔的容积S21图，当静涡旋齿101的内侧型线上的最内点B和动涡旋齿201的内侧型线上的最内点G处于啮合时，动涡旋齿201的外侧型线和静涡旋齿101的内侧型线形成第一膨胀开始腔，其容积为S21，动涡旋齿201的内侧型线和静涡旋齿101的外侧型线形成第二膨胀开始腔，其容积为S11；两组膨胀结束腔与对应的膨胀开始腔的容积比相等，即上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

权利要求：1.一种变截面涡旋齿的涡旋膨胀机，包括：静涡旋1、动涡旋2、曲轴3、平衡铁4、支架体5和防自转机构6，其特征是：静涡旋1包括：静涡旋齿101、静涡旋盘102、换热槽103和吸气口104；静涡旋齿101的组成型线由4段光滑连接的曲线组成，依次为：第一三角函数渐开线AE、第一圆弧AB、第二圆弧BC和第四三角函数渐开线CD；其中，第二圆弧BC和第四三角函数渐开线CD为静涡旋齿101的内侧型线，第一三角函数渐开线AE和第一圆弧AB为静涡旋齿101的外侧型线；静涡旋齿101的第一三角函数渐开线AE和第一圆弧AB在其连接点A光滑连接，第二圆弧BC和第四三角函数渐开线CD在其连接点C光滑连接；静涡旋齿101的齿厚由外圈向中心先增大、后减小、再增大；所述的静涡旋1，在静涡旋齿101的齿厚较大处开设换热槽103；动涡旋2包括：动涡旋齿201和动涡旋盘202；动涡旋齿201的组成型线由4段光滑连接的曲线组成，依次为：第二三角函数渐开线FJ、第三圆弧FG、第四圆弧GH和第三三角函数渐开线HI；其中，第二三角函数渐开线FJ和第三圆弧FG为动涡旋齿201的内侧型线，第四圆弧GH和第三三角函数渐开线HI为动涡旋齿201的外侧型线；动涡旋齿201的第二三角函数渐开线FJ和第三圆弧FG在其连接点F光滑连接，第四圆弧GH和第三三角函数渐开线HI在其连接点H光滑连接；动涡旋齿201除中心处外，其齿厚不变，为等齿厚；动涡旋齿201在公转平动的工作过程中，动涡旋齿201和静涡旋齿101能够实现正确的啮合，即动涡旋齿201的第二三角函数渐开线FJ、第三圆弧FG、第四圆弧GH、第三三角函数渐开线HI分别与静涡旋齿101的第一三角函数渐开线AE、第一圆弧AB、第二圆弧BC、第四三角函数渐开线CD能够实现正确的啮合。2.一种如权利要求1所述的变截面涡旋齿的涡旋膨胀机，其特征是：所述的静涡旋齿101的第一三角函数渐开线AE的方程为：所述的静涡旋齿101的第一圆弧AB的方程为：所述的静涡旋齿101的第二圆弧BC的方程为：式中：t—角度参数；xO1、yO1—第一圆弧AB的圆心O1的坐标；R1—第一圆弧AB的半径；xO2、yO2—第二圆弧BC的圆心O2的坐标；R2—第二圆弧BC的半径；C、k、ω、—常数；Ror—回转半径；δ—动涡旋齿201的齿厚；在公转中心位置处，静涡旋齿101和动涡旋齿201的组成型线是法向等距关系，动涡旋齿201的第二三角函数渐开线FJ由静涡旋齿101的第一三角函数渐开线AE向外侧法向等距回转半径Ror得到，动涡旋齿201的第三三角函数渐开线HI由动涡旋齿201的第二三角函数渐开线FJ向外侧法向等距动涡旋齿201的齿厚δ得到，静涡旋齿101的第四三角函数渐开线CD由动涡旋齿201的第三三角函数渐开线HI向外侧法向等距回转半径Ror得到，动涡旋齿201的第三圆弧FG、第四圆弧GH分别由静涡旋齿101的第一圆弧AB、第二圆弧BC向外侧法向等距生成，法向等距的距离均为回转半径Ror。3.一种如权利要求1所述的变截面涡旋齿的涡旋膨胀机，其特征是：当动涡旋齿201的内侧型线上的最外点J处于啮合时，动涡旋齿201的内侧型线与静涡旋齿101的外侧型线形成第一膨胀结束腔，其容积为S12；当静涡旋齿101的内侧型线上的最外点D处于啮合时，静涡旋齿101的内侧型线与动涡旋齿201的外侧型线形成第二膨胀结束腔，其容积为S22；当静涡旋齿101的内侧型线上的最内点B和动涡旋齿201的内侧型线上的最内点G处于啮合时，动涡旋齿201的外侧型线和静涡旋齿101的内侧型线形成第一膨胀开始腔，其容积为S21，动涡旋齿201的内侧型线和静涡旋齿101的外侧型线形成第二膨胀开始腔，其容积为S11；两组膨胀结束腔与对应的膨胀开始腔的容积比相等，即4.一种涡旋压缩机，其特征是：使用如权利要求1所述的一种变截面涡旋齿。5.一种涡旋真空泵，其特征是：使用如权利要求1所述的一种变截面涡旋齿。

百度查询： 中国石油大学(华东) 一种变截面涡旋齿的涡旋膨胀机