多功能压缩机的设计创意

　　旋叶式压缩机是一种结构紧凑、受力平衡性好、体积小的新型压缩机，在小型压缩机领域表现出强劲的市场竞争能力，旋叶式压缩机中*常见的结构是两腔多叶片，其主要缺点是容积利用率低，排量小，从而限制了其应用领域，为提高此类压缩机的容积利用率和排量，扩大应用领域，在对两腔两叶片旋叶式压缩机进行型线、叶片运动、排量分析的基础上，找出综合性能较优的两腔两叶片旋叶式压缩机，并以此机为原型，推出一种新结构的机型-三腔三叶片旋叶式压缩机，从而提高此类压缩机的容积利用率和排量。

　　2两腔两叶片压缩机结构和工作原理两腔两叶片压缩机的截面如所示。它由转子、气缸、旋转叶片（简称叶片）、两端盖等组成，转子截面为正圆形，气缸内表面为扁圆形，转子放在气缸中，叶片放在转子叶片槽中，两侧用端盖密封，组成了内部存在空腔的密闭空间（简称气腔） ，当转子旋转时，带动转子槽中叶片转动，旋转的叶片在离心力和背压腔气体压力作用下被甩出，将转子和气缸间围成的每个月牙形空腔分隔成两半，使叶片两侧气腔的容积大小发生周期性变化，从而完成吸气、压缩、排出气体的过程。

　　3对两腔两叶片压缩机的分析为便于分析，按气缸理论型线，且旋转叶片厚度忽略不计作为前提条件，设定如下内容：①气缸型线几何中心与转子几何中心同心；②转子半径r 0 = 30mm，气缸宽度l = 40mm，叶片*大位移均为15mm；③气缸型线中心到型线上任一点的矢径ρ，ρ的*大值为气缸型线长半径R，ρ的*小值为气缸型线短半径r，叶片转角θ，型线升程E = R - r，叶片径向位移s =ρ- r，叶片径向速度v，叶片径向加速度j，转子转速为n，转子转动角ω。④两腔两叶片气缸每腔包角为180°， r = r 0。

　　选取具有代表性的椭圆、简谐、正弦余弦、双谐、抛物、正弦6种气缸型线，进行叶片径向运动速度、加速度、排量的理论计算，型线方程如下：椭圆：ρ= R r（R 2 cos 2θ+ r 2 sin 2θ）- 1 2简谐：ρ= r + Esin 2θ正弦余弦：ρ= （ r 2 cos 2θ+ R 2 sin 2θ）1 2双谐：ρ= r + Esin 4θ抛物： 1为等加速段； 2为等减速段ρ1 = r + 8Eθ2 /π2 - - 0≤θ<π/4ρ2 = r + E （1 - 2 （1 - 2θ/π）2） - -π/4≤θ<π/2正弦：ρ= r + 2E /π（θ- 1 /4sin4θ）依据型线方程可求出相应的速度、加速度、排量计算方程，这里的排量计算方程为：一个月牙腔面积： s 1 = 1 2∫π0（ρ2 - r 2 0） dθ排量= 4×s 1×l×n×60； n为转子转速， r/m in，计算结果

　　从数据得出：简谐、正弦余弦、抛物、正弦4个气缸型线，叶片运动速度、加速度、排量均较好，而椭圆、双谐两种气缸型线加速度大，排量小，故此被排除在选用方案外。

　　再看对比余下的四种气缸型线，存在着：抛物气缸型线的*大速度高，速度和加速度突变，造成运动不平稳；正弦气缸型线*大速度也高，存在加速度变化频率高，也会造成运动不平稳，故此，再排除掉抛物、正弦两种气缸型线。

　　在余下的两种气缸型线-简谐气缸型线与正弦余弦气缸型线比较，其排量基本相同，*大速度相同，但*大加速度简谐气缸型线比正弦余弦气缸型线小，故简谐气缸型线是*优方案。

　　为此，拟采用简谐气缸型线作为三腔三叶片旋叶式压缩机的型线。

　　4三腔三叶片旋叶式压缩机结构以简谐气缸型线两腔压缩机为设计样本，确定简谐气缸型线三腔压缩机结构如所示。两腔两叶片机：转子半径为r o = 30mm，气缸型线长半径R = 45mm，短半径r = 30mm，气缸型线极坐标方程为：ρ= r + Esin 2θ。

　　其叶片径向运动方程为：s =ρ- r = Esin 2θs max = 0. 015m v = s′= Eωsin2θV max = 2. 8m / s j = v′= 2Eω2 cos2θj max = 1064. 8 m / s 2排量： 14. 5m 3 /h三腔三叶片机：转子半径为r 0 = 30mm，与转子同心的3个对称气缸型线长轴形成的交角为120°，各气腔占120°包围角（3个气缸型线相交点内切圆等于转子圆） ，同时三腔机与两腔机有相同的叶片*大位移，为满足这些要求，经计算，气缸型线短半径r = 24. 95mm，气缸型线长半径R = 45mm， E′= R - r = 20. 05。

　　气缸型线极坐标方程为：ρ= r + E′sin 2θ（π/6≤θ≤4π/6）s =ρ- r 0 = r + E′sin 2θ- r 0s max = 0. 015 m v = d s d t = E′ωsin2θv max = 3. 8 m / s j = d v d t = 2E′ω2 cos2θj max = 2561. 6 m / s 2排量： 26. 6m 3 /h

　　5实际应用为改善气缸型线与转子圆交点处叶片的运动性能，交点处可采取过渡小圆弧连接，减小交点处叶片运动的速度、加速度（减少20% ） ，提高机械效率和使用寿命，有效减少冲击、振动和噪声。

　　故此得到较满意的三腔旋叶式压缩机结构。

　　实际机器，叶片是有质量的，所以叶片在运转过程中存在径向离心力与惯性力，为保证叶片在运行中始终压紧气缸内壁面而不脱离，必须保证叶片的径向离心力大于惯性力，即mω2 r 1≥mJ，对于两缸机，上述分析的6种气缸型线中，在叶片

　　*大位移为15mm条件下，能满足此要求的只要椭圆气缸型线；对于三缸机，上述分析的6种气缸型线没有一个能满足这个要求，其产生脱离处为叶片位移为零处（即交点处） ，则采用在叶片底部放置弹簧片的方法予以修正，只要控制好弹簧的刚度和预压缩长度即可，经过计算，刚度为3500N /m的弹簧被预压缩4mm即可满足要求。

　　计算离心力时的叶片质心旋转半径r 1 = 20 + s，叶片长度h = 20mm。叶片位移为0时，叶片质心距离旋转中心20mm。

　　6结论和展望通过以上对两腔两叶片压缩机和三腔三叶片压缩机的计算对比，可得出如下结论：①转子运转一圈，三腔三叶片机排出9个月牙腔容积的气体，而两腔两叶片机只有4个，故三腔三叶片机的排量在相同转速下比两腔两叶片机增大83. 5% ，容积利用率高，排量大；②三腔压缩机外形尺寸、驱动、主要结构、大部分零部件等与两腔机接近，质量利用率高；③三腔机密封性和两腔机相同，故不需要特殊处理；④三腔机的结构比两腔机多一个腔，所以加工工艺性稍难；⑤三腔机叶片的速度、加速度比两腔机大，因此三腔机的磨损比两腔机稍大，三腔机在运转中的工作次数多，使得气流脉动频率加大，故避振措施要改进；⑥三腔机也可采用多叶片。

　　综合上述分析，三腔机继承两腔机的许多优点，在增加叶片径向速度和加速度，结构略为改变，就解决了两腔机排量小的缺点，提高质量利用率，利大于弊，因此有望在旋叶式压缩机领域获得推广和应用。