涡旋压缩腔几何模型与涡旋齿强度研究

摘要

研究涡旋压缩机的工作特性，基于通用型线理论确定涡旋齿基本参数，建立了涡旋压缩腔几何模型，并用模型分析、模拟了圆渐开线涡旋压缩腔。通过理论研究与有限元模拟分析了涡旋齿的作用载荷、应力和变形的基本规律。基于涡旋齿载荷、应力、变形和工程实践分析了涡旋齿的失效形式，并结合试验和样机研制研究涡旋齿的强度，建立了涡旋齿强度模型，确定了涡旋齿的基本设计准则和强度计算的一般流程。涡旋压缩腔几何模型与涡旋齿强度研究为涡旋机械的几何学、运动学、动力学、热力学、强度及可靠性等研究及设计提供了理论基础，提出了获得高性能样机的基本思路，对涡旋机械的研究与应用具有重要意义。 涡旋机械的基本组成有涡旋盘、防自转机构、轴向和径向随变机构、密封和润滑机构等。定义动涡旋齿外型线和静涡旋齿内型线对应的节线为a类节线，动涡旋齿内型线和静涡旋齿外型线对应的节线为b类节线。定义与涡旋齿中线法向角对应的涡旋齿外、内型线法向分量之差为涡旋齿法向齿厚，对应的涡旋齿外、内型线上两点之间的距离为全齿厚。基于涡旋型线及涡旋机械的特点，确定涡旋齿公转半径、型线最大切向分量、齿厚系数和涡旋齿高为涡旋齿的四个基本参数； 依据节线类型把压缩腔分为a类压缩腔和b类压缩腔。建立了由型线、压缩腔形状变化、生命周期和压缩腔数综合构成的涡旋压缩腔几何模型。利用该几何模型可对压缩腔的特性进行全面分析。圆渐开线涡旋压缩腔用压缩腔长度和容积可作为压缩腔的基本特性，分析和模拟表明圆渐开线压缩腔变形稳定且效率高，工程中适宜采用以圆渐开线为基础的型线，如PMP型线； 建立了综合内压作用和稳态温度场作用的涡旋齿载荷模型。涡旋齿工作中相当于受到间隔为π的π展角区域内压作用，载荷大小为涡旋齿内外壁面的压力差。涡旋齿内压载荷变化不连续，当动涡旋齿转角为开始排气角时不但载荷最大，而且作用区域离涡旋齿中央区域最远。对于小参数涡旋齿，涡旋齿的稳态温度可由其中面温度代替，靠近涡旋齿中央区域的部分涡旋齿温度为排气温度，而其余部分温度随法向角增大而近似于线性下降，涡旋齿末端的温度为吸气温度； 涡旋齿应力分析适宜分析等效应力，变形以分析涡旋齿的径向和轴向变形为主。不同内压作用、稳态温度场作用、π展角区域内压作用、多π展角区域内压作用及其耦合作用下的应力与变形有限元分析表明：不同参数的涡旋齿模型模拟得到的涡旋齿等效应力和变形基本规律相同；涡旋齿等效应力和变形主要由内压载荷和稳态温度场作用引起，内压作用的等效应力和变形以涡旋齿公转周期而变化，稳态温度场作用的等效应力和变形基本保持不变；整个涡旋齿上齿根处等效应力最大，涡旋齿的径向变形比轴向变形量大，但轴向变形对压缩机的性能影响更大；内压作用的等效应力和轴向变形比稳态温度场作用的小，尽管内压和稳态温度场对涡旋齿变形与应力的作用效应相反，但都不能简单叠加，应力与变形基本受稳态温度场控制；内压作用对等效应力和变形有明显的削弱作用，而且使等效应力和变形的变化更加平稳。受均匀内压作用、π展角区域内压作用时涡旋齿根等效应力以及稳态温度场作用时的涡旋齿高变形都可进行简化计算，计算实例证明简化计算与有限元模拟结果的偏差较小，可满足工程实践要求；常见的涡旋齿失效形式有涡旋齿折断失效、表面损伤失效和过大变形三种基本类型，其中涡旋齿根弯曲疲劳折断、涡旋齿面点蚀、涡旋齿轴向磨损、胶合和涡旋齿过大变形是其主要的失效形式。所建立的涡旋齿强度模型由涡旋齿根强度(静强度和齿根弯曲强度)和涡旋齿轴向刚度组成。确定了涡旋齿根强度为涡旋齿的基本设计准则，并校核轴向刚度。以多π展角区域内压作用的应力作为应力幅，以稳态温度场和内压耦合作用的应力作为平均应力，可通过计算齿根安全系数计算齿根弯曲疲劳强度，钢制的涡旋齿强度计算中可简化计算涡旋齿根应力集中综合影响系数。涡旋齿强度计算或基于涡旋齿强度进行参数设计都可按基本相同的流程进行，为提高涡旋齿轴向的密封性能和磨损强度，可基于稳态温度场的涡旋齿变形规律对涡旋齿高尺寸公差进行修正； 通过理论与工程实践相结合，得到了获得高性能涡旋机械的基本思路： 1)利用压缩腔几何模型选择并优化型线，获得变形效率、稳定性良好的涡旋压缩腔； 2)通过强度模型选择合理的涡旋齿材料和参数，预测涡旋机械的强度和基本性能； 3)采用合理的轴系结构、防自转机构、随变机构的同时，采用齿顶密封条结构，并基于稳态温度场对涡旋齿高公差进行修正。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第1章绪论

1.1涡旋机械的发展与应用

1.1.1涡旋机械的发展历史

1.1.2涡旋机械的应用

1.2涡旋机械的研究现状

1.2.1机构模型研究

1.2.2型线理论研究

1.2.3数学模型研究

1.2.4结构研究

1.2.5流场及过程特性研究

1.2.6动力学特性研究

1.2.7涡旋齿刚度与强度研究

1.2.7设计与制造研究

1.2.8高性能样机研究

1.3本文研究项目选题、内容和意义

1.4本文主要工作和创新点

第2章涡旋机械理论与涡旋压缩机

2.1涡旋机构模型

2.2平面型线啮合原理

2.2.1平面共轭型线

2.2.2渐开线类型线的特点

2.2.3用解析包络法求解共轭型线

2.3通用型线理论

2.4单涡旋齿压缩机的工作原理

2.5双涡旋齿涡旋压缩机的工作原理

2.5.1双涡旋齿涡旋压缩机的工作过程

2.5.2双涡旋齿几何模型

2.6涡旋压缩机的结构

2.6.1防自转机构

2.6.2轴向随变

2.6.3径向随变

2.6.4密封与润滑

2.6.5轴及平衡

2.7本章小结

第3章涡旋压缩腔几何模型

3.1基于通用型线的涡旋机械基本参数

3.1.1涡旋齿

3.1.2涡旋齿厚和齿厚分量

3.1.3涡旋齿厚的确定

3.1.4小参数涡旋齿

3.2涡旋压缩腔几何模型

3.2.1涡旋压缩腔

3.2.2涡旋压缩腔几何模型

3.2.3涡旋压缩腔特性

3.3渐开线涡旋压缩腔变形分析

3.4本章小结

第4章涡旋齿应力与变形分析

4.1涡旋齿载荷模型

4.2涡旋齿作用内压分析

4.2.1基于通用型线涡旋齿作用内压分析

4.2.2渐开线涡旋齿作用内压分析

4.3涡旋齿稳态温度场

4.4涡旋齿应力分析

4.4.1涡旋齿应力分析方法与方案

4.4.2内压作用涡旋齿等效应力分析

4.4.3稳态温度场作用涡旋齿等效应力分析

4.4.4内压与稳态温度场耦合作用涡旋齿等效应力分析

4.5涡旋齿变形分析

4.5.1涡旋齿变形分析方法与方案

4.5.2内压作用涡旋齿变形分析

4.5.3稳态温度场作用涡旋齿变形分析

4.5.4内压与稳态温度场耦合作用涡旋齿变形分析

4.6本章小结

第5章涡旋齿强度研究

5.1涡旋齿的失效形式及其强度模型

5.1.1涡旋齿的失效形式

5.1.2涡旋齿的强度模型

5.2涡旋齿常用材料及其基本特性

5.2.1涡旋齿体材料

5.2.2涡旋齿项密封条及齿面涂层常用材料

5.3涡旋齿轴向密封与摩擦

5.4涡旋齿强度计算

5.4.1涡旋齿强度基本计算准则

5.4.2涡旋齿强度计算

5.4.3基于涡旋齿强度的基本参数设计

5.5本章小结

第6章涡旋压缩机样机研制与试验

6.1涡旋压缩机样机研制

6.1.1 WTY0.6-1.5/0.1-0.6型涡旋天然气压缩机

6.1.2 WWKY3.3/2型双涡旋齿无油润滑涡旋空气压缩机

6.2涡旋压缩机性能试验

6.2.1压缩机性能动态测试系统

6.2.2 WTY0.6-1.5/0.1-0.6型涡旋天然气压缩机性能试验

6.2.3 WWKY3.3/2型双涡旋齿无油润滑涡旋空气压缩机性能试验

6.3本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A攻读学位期间发表的论文及取得的成果

附录B涡旋齿等效应力有限公模拟图例

附录C涡旋齿变形有限元模拟图例

附录D涡旋齿常见失效图例