渦旋壓縮腔幾何模型與渦旋齒強度研究.pdf

1、研究渦旋壓縮機的工作特性，基于通用型線理論確定渦旋齒基本參數(shù)，建立了渦旋壓縮腔幾何模型，并用模型分析、模擬了圓漸開線渦旋壓縮腔。通過理論研究與有限元模擬分析了渦旋齒的作用載荷、應(yīng)力和變形的基本規(guī)律?；跍u旋齒載荷、應(yīng)力、變形和工程實踐分析了渦旋齒的失效形式，并結(jié)合試驗和樣機研制研究渦旋齒的強度，建立了渦旋齒強度模型，確定了渦旋齒的基本設(shè)計準則和強度計算的一般流程。渦旋壓縮腔幾何模型與渦旋齒強度研究為渦旋機械的幾何學、運動學、動力學、熱力

2、學、強度及可靠性等研究及設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)，提出了獲得高性能樣機的基本思路，對渦旋機械的研究與應(yīng)用具有重要意義。 渦旋機械的基本組成有渦旋盤、防自轉(zhuǎn)機構(gòu)、軸向和徑向隨變機構(gòu)、密封和潤滑機構(gòu)等。定義動渦旋齒外型線和靜渦旋齒內(nèi)型線對應(yīng)的節(jié)線為a類節(jié)線，動渦旋齒內(nèi)型線和靜渦旋齒外型線對應(yīng)的節(jié)線為b類節(jié)線。定義與渦旋齒中線法向角對應(yīng)的渦旋齒外、內(nèi)型線法向分量之差為渦旋齒法向齒厚，對應(yīng)的渦旋齒外、內(nèi)型線上兩點之間的距離為全齒厚?；跍u旋型

3、線及渦旋機械的特點，確定渦旋齒公轉(zhuǎn)半徑、型線最大切向分量、齒厚系數(shù)和渦旋齒高為渦旋齒的四個基本參數(shù)； 依據(jù)節(jié)線類型把壓縮腔分為a類壓縮腔和b類壓縮腔。建立了由型線、壓縮腔形狀變化、生命周期和壓縮腔數(shù)綜合構(gòu)成的渦旋壓縮腔幾何模型。利用該幾何模型可對壓縮腔的特性進行全面分析。圓漸開線渦旋壓縮腔用壓縮腔長度和容積可作為壓縮腔的基本特性，分析和模擬表明圓漸開線壓縮腔變形穩(wěn)定且效率高，工程中適宜采用以圓漸開線為基礎(chǔ)的型線，如PMP型線；

4、 建立了綜合內(nèi)壓作用和穩(wěn)態(tài)溫度場作用的渦旋齒載荷模型。渦旋齒工作中相當于受到間隔為π的π展角區(qū)域內(nèi)壓作用，載荷大小為渦旋齒內(nèi)外壁面的壓力差。渦旋齒內(nèi)壓載荷變化不連續(xù)，當動渦旋齒轉(zhuǎn)角為開始排氣角時不但載荷最大，而且作用區(qū)域離渦旋齒中央?yún)^(qū)域最遠。對于小參數(shù)渦旋齒，渦旋齒的穩(wěn)態(tài)溫度可由其中面溫度代替，靠近渦旋齒中央?yún)^(qū)域的部分渦旋齒溫度為排氣溫度，而其余部分溫度隨法向角增大而近似于線性下降，渦旋齒末端的溫度為吸氣溫度； 渦旋齒應(yīng)力

5、分析適宜分析等效應(yīng)力，變形以分析渦旋齒的徑向和軸向變形為主。不同內(nèi)壓作用、穩(wěn)態(tài)溫度場作用、π展角區(qū)域內(nèi)壓作用、多π展角區(qū)域內(nèi)壓作用及其耦合作用下的應(yīng)力與變形有限元分析表明：不同參數(shù)的渦旋齒模型模擬得到的渦旋齒等效應(yīng)力和變形基本規(guī)律相同；渦旋齒等效應(yīng)力和變形主要由內(nèi)壓載荷和穩(wěn)態(tài)溫度場作用引起，內(nèi)壓作用的等效應(yīng)力和變形以渦旋齒公轉(zhuǎn)周期而變化，穩(wěn)態(tài)溫度場作用的等效應(yīng)力和變形基本保持不變；整個渦旋齒上齒根處等效應(yīng)力最大，渦旋齒的徑向變形比軸向變

6、形量大，但軸向變形對壓縮機的性能影響更大；內(nèi)壓作用的等效應(yīng)力和軸向變形比穩(wěn)態(tài)溫度場作用的小，盡管內(nèi)壓和穩(wěn)態(tài)溫度場對渦旋齒變形與應(yīng)力的作用效應(yīng)相反，但都不能簡單疊加，應(yīng)力與變形基本受穩(wěn)態(tài)溫度場控制；內(nèi)壓作用對等效應(yīng)力和變形有明顯的削弱作用，而且使等效應(yīng)力和變形的變化更加平穩(wěn)。受均勻內(nèi)壓作用、π展角區(qū)域內(nèi)壓作用時渦旋齒根等效應(yīng)力以及穩(wěn)態(tài)溫度場作用時的渦旋齒高變形都可進行簡化計算，計算實例證明簡化計算與有限元模擬結(jié)果的偏差較小，可滿足工程實踐

7、要求；常見的渦旋齒失效形式有渦旋齒折斷失效、表面損傷失效和過大變形三種基本類型，其中渦旋齒根彎曲疲勞折斷、渦旋齒面點蝕、渦旋齒軸向磨損、膠合和渦旋齒過大變形是其主要的失效形式。所建立的渦旋齒強度模型由渦旋齒根強度(靜強度和齒根彎曲強度)和渦旋齒軸向剛度組成。確定了渦旋齒根強度為渦旋齒的基本設(shè)計準則，并校核軸向剛度。以多π展角區(qū)域內(nèi)壓作用的應(yīng)力作為應(yīng)力幅，以穩(wěn)態(tài)溫度場和內(nèi)壓耦合作用的應(yīng)力作為平均應(yīng)力，可通過計算齒根安全系數(shù)計算齒根彎曲疲勞

8、強度，鋼制的渦旋齒強度計算中可簡化計算渦旋齒根應(yīng)力集中綜合影響系數(shù)。渦旋齒強度計算或基于渦旋齒強度進行參數(shù)設(shè)計都可按基本相同的流程進行，為提高渦旋齒軸向的密封性能和磨損強度，可基于穩(wěn)態(tài)溫度場的渦旋齒變形規(guī)律對渦旋齒高尺寸公差進行修正； 通過理論與工程實踐相結(jié)合，得到了獲得高性能渦旋機械的基本思路： 1)利用壓縮腔幾何模型選擇并優(yōu)化型線，獲得變形效率、穩(wěn)定性良好的渦旋壓縮腔； 2)通過強度模型選擇合理的渦旋齒材料和