專利名稱:旋轉式流體機器的制作方法
本發(fā)明一般地說涉及一種旋轉機器，更準確地說涉及一種旋轉式流體機器。
在流體壓縮機技術中已經公知的、例如如表示一般工作原理的示意圖圖10所示的一種蝸殼式壓縮機的典型結構是這樣的，即提供兩個具有相同斷面形狀的蝸殼形或螺旋形構件，一個螺旋形構件(2)固定在帶有通常在中心的排出口(4)的密封端蓋的表面上。另外在這種結構中，這兩個螺旋形構件互相相對圓周錯開180度，并且相對位置錯開2ρ距離(＝螺旋形螺距-2×螺旋形構件板的厚度)，從而以圖中示意地表示的這種方式互相嵌套，即它們可處于在(51)、(52)和(51′)、(52′)四點處互相緊靠接觸的相對位置。根據這種結構應該進一步指出，一個螺旋形構件(2)安排成位置固定的，并通過采用一個半徑為ρ的曲柄機構把一個構件(1)安排成以半徑ρ＝00′繞螺旋形構件(2)的中心O作回轉運動或太陽軌道運動，而沒有繞它自己軸線的旋轉運動或行星運動。
用這樣的結構，定義了沿螺旋形構件(1)、(2)擴展并分別在接觸點(51)、(52)和(51′)、(52′)之間緊密封閉的小空間或腔室(3)、(3)，這些腔室(3)、(3)的容積隨著螺旋形構件(1)的太陽運動或回轉運動而逐漸變化。
更準確地考察時應該指出，當螺旋形構件(1)最初從圖10(A)所示的位置開始回轉90度時，它變成處于圖10(B)所示的狀態(tài)，當它回轉到180度時，它變成處于圖10(C)所示的狀態(tài)，而當它進一步回轉到270度時，它變成處于圖10(D)所示的狀態(tài)。隨著螺旋形構件(1)作回轉運動，小腔室(3)、(3)的容積逐漸連續(xù)減少，最后這些腔室互相連通并合并成一個緊密封閉的小腔室(53)。接著，當它從圖10(D)所示的狀態(tài)再回轉運動90度時，它變回到圖10(A)所示位置的狀態(tài)，而小腔室(53)這時將隨著它從圖10(B)所示狀態(tài)向圖10(C)和圖10(D)所示狀態(tài)之間變?yōu)樽钚∪莘e。在此回轉運動階段，外部空間如圖10(B)中所看到的那樣開始敞開，隨著構件(1)從圖10(C)的狀態(tài)經過圖10(D)的狀態(tài)變到圖10(A)的狀態(tài)而逐漸增大，從而從這些外部空間引入另一些新空氣體積進入終將合并在一起的緊密封閉的小腔室，然后重復此回轉運動循環(huán)，以致于這樣吸進螺旋形構件的外部空間的氣體可以相應地被壓縮，從而從排出口(4)排出。
上面的說明涉及蝸殼式壓縮機的一般工作原理，下面借助于以縱剖視表示該壓縮機總體結構的圖11更具體地引用這種蝸殼式壓縮機的結構，可以看出殼體(10)由前端蓋(11)、后端蓋(12)和圓柱殼(13)組成。后端蓋(12)帶有進口(14)和排出口(15)，二者都伸到后端蓋的外面，后端蓋還與由螺旋或螺線翅片(252)和輻盤(251)組成的固定蝸殼件(25)固定安裝。前端蓋(11)宜于作為樞軸安裝一個帶曲柄銷(23)的主軸(17)。圖12是沿圖11中箭頭Ⅻ-Ⅻ定義的平面所取的橫剖視圖，象圖12中典型地表示的那樣，在與曲柄銷(23)的相互運轉關系中可以看出，通過一個回轉機構(它包括一個徑向滾針軸承(26)、回轉蝸殼件(24)的輪轂(243)、一個方斷面套筒件(271)、一個滑塊件(291)、一個環(huán)形件(292)和一個止動凸起(293)等)提供一個回轉蝸殼件(24)，它包括一個螺旋形構件(242)和一個盤(241)。
如在本發(fā)明人提出的日本專利申請No、197，672/1981中所詳細說明的那樣，包含在蝸殼式壓縮機中的蝸殼形或螺旋形構件(1)、(2)的一般形狀的設計工程作法是這樣的，即這些螺旋形構件的徑向內、外輪廓曲線的主要部分一般可設計成由漸開線函數組成。如上面給出的這種壓縮機的工作原理說明中還指出的那樣，小腔室53在其工作循環(huán)的某部分內將減小其工作容積，從而保證高壓流體從排出口排出。關于此工作循環(huán)，遇到所謂“擠壓間隙容積”(top clearance volume)現象，它是由小腔室的容積不可能變成零或消失這樣一個事實所引起的，因為在實際結構設計中螺旋形構件的厚度不可能弄成零。
更準確地考察時，如螺旋形構件中心區(qū)局部放大圖圖13中進一步詳細表示的那樣，其中圖(A)對應著圖10(C)，當螺旋形構件(1)進行回轉運動時，定義于兩個互補的螺旋形構件(1)、(2)的接觸點(52)和(52′)之間的小腔室(53)將處于其工作位置，如圖13(B)中以類似的方式所示的那樣，其中小腔室(53)的容積變?yōu)樽钚≈?。然后當螺旋形構?1)繼續(xù)回轉運動通過些特定的嚙合點時，螺旋形構件(1)、(2)互相脫離，從而使它們之間的接觸點(52)、(52)相應地消失。在這一瞬間，定義在這兩個螺旋形構件(1)、(2)之間的小腔室(53)與定義在每個螺旋形構件外面的小腔室(3)、(3)連通。
由于已經公知的旋轉機器結構中的這種位置關系，不可避免的是在高壓下封閉在圖13(B)所示的當時最小的容積中的流體因而再次與小腔室(3)、(3)連通而不是從排出口(4)排出。因此，到此為止對相當于擠壓間隙容積的流體所作的功將相應地直接變成功損失。
此外，由于在普通的旋轉機器結構中設計工程的一般作法是，螺旋形構件(1)和(2)的前沿是一個尖角，所以它在運轉時被損壞的概率比較高。再者，螺旋形構件的這種尖角前沿一般需要額外的加工工時數。
為了克服上面說到的普通旋轉式流體機器所特有的這些缺點，本發(fā)明人以前已提出了日本專利申請206，088/1982的裝備有如圖14以局部正視圖明確表示的那種形式的螺旋形構件的旋轉式流體機器結構的措施。
更具體地引用根據此日本專利申請的結構，如圖14所示，一般結構是這樣的，即提供一個標號為(501)的固定螺旋形構件，其中該螺旋形構件(501)的徑向外表面和內表面的曲線分別標以(601)和(602)?？梢钥闯?，徑向外曲線(601)定義為基圓半徑為b起點為A的漸開線，徑向內曲線(602)的曲線段E-F是相位與徑向外曲線(601)錯開(π-ρ/b)的漸開線，而曲線段D-E是半徑為R的一段圓弧。此外，用來平滑地連接徑向外曲線和內曲線(601)和(602)的標號為(603)的連接曲線是半徑為r的一段圓弧。A點是外曲線(601)在漸開線上的起點，B點是外曲線(601)和連接曲線(603)之間的邊界點，兩曲線在該點共有同一條切線。C點是定義在徑向外曲線(601)的足夠遠處的一點，而D點是內曲線(602)和連接曲線(603)之間的邊界點，半徑為R和r的兩段圓弧在該點相切。E點是徑向內曲線(602)的圓弧段(從D點到E點之間)和漸開線段E-F之間的邊界點，兩曲線在該點共有同一條切線。可以看出，F點是存在于內曲線(602)的足夠遠處的一點。
應該指出，另一個回轉螺旋形構件(502)是相同結構的。
現在，半徑R和r可由下式給出，即R＝ρ+bβ+d (1)r＝bβ+d (2)式中，ρ是回轉運動半徑;
b是基圓半徑
d =b2- (ρ2+ b β )22 (ρ2+ b β )( 3 )]]>β是一個參數。
參數β等于由一個過原點O的直線段和X軸負半軸所定義的角度?？梢钥闯觯^原點O并成β角的該直線段與基圓的兩個交點存在于線段EO2和BO1上。還可以看出，直線段EO2和BO1延長線在上面指出的交點處與基圓相切。
更準確地說應該指出，參數β定義為用來在螺旋形構件的形狀中為徑向外曲線和內曲線建立漸開線而給定的邊界條件，反言之，此參數β將最終定義得到真正漸開線的邊界點E和B。
根據旋轉式流體機器的一般結構，設計工程的習慣作法是這樣的，即E點和B點之間的曲線段可以適當確定以避免兩個螺旋形構件在它們之間接觸，而這兩個具有從外接觸點延伸過來的曲線的構件之間的極限接觸點變?yōu)镋點和B點。根據這種工程作法，一般認為當固定螺旋形構件部分上的E點將與回轉螺旋形構件上的B點緊靠接觸時，這些構件的曲線輪廓這樣設計，即在運轉時在它們的相對運動中，它們可以互相脫離。
現在，參見圖15，圖中畫出一個帶有這些螺旋形構件之間的嚙合點或接觸點(552)和(552′)的回轉螺旋形構件(502)、一個定義在接觸點(552)和(552′)之間的小空間或腔室(553)、以及外部空間或腔室(503)、(503)。應該指出，圖15(A)對應著圖13(A)，圖15(B)對應著圖13(B)，而圖15(C)、15(D)和15(E)依次分別表示繼續(xù)回轉時螺旋形構件(502)所占據的位置。
根據此方案的具體結構應該指出，當兩個螺旋形構件(501)和(502)按圖15(A)、15(B)、15(C)、15(D)和15(E)中所見的順序進行相對回轉運動時，定義在接觸點(552)、(552′)之間的小腔室(553)的空間或容積將連續(xù)逐漸減小，直到接觸點(552)和(552′)最后并為如圖15(E)所示的同一點的時刻為止，因而這時小腔室(553)的現有容積將變?yōu)榱慊蛳А?br>根據以上說明考察時應該指出，由于相應地消除了在普通結構中仍然存在的所謂擠壓間隙容積，置于壓力之下的全部流體體積都被從排出口(未畫出)排出，完全沒有任何損失。因而，由壓縮機對流體所作的全部功是十分有效的，從而防止出現任何功損失，否則在普通旋轉式流體機器結構運轉時這種功損失是不可避免的。
雖然為了便于說明在上述作法中把排出口的工作容積忽略不計，但實際上需要在適當的位置提供一個排出口，其中定義小腔室(553)。在上面指出的這種作法中或多或少地產生擠壓間隙容積實際上是不可避免的，但這將限于事實上很小的尺寸，小到完全可以把它估計成事實上為零。
還應指出，由于采用了弧形點或連接曲線(603)，象圖14中典型地表示的那樣，螺旋形構件(501)和(502)的每個中心前沿都不是尖角的。因此能很好地避免該前沿區(qū)在機器運轉時發(fā)生破裂或損壞的危險，此外，它將事實上有助于使螺旋形構件容易加工，即在徑向內曲線(602)的D點和E點之間的連接部及在連接曲線(603)本身分別提供了圓弧曲線。
由于采用上面指出的方案，雖然許多缺點可以相應地解決，從而產生許多優(yōu)點，但是偶爾下列麻煩是不可避免的，即(Ⅰ)更準確地說應該指出，有三個設計因素決定著螺旋形構件的一般形狀，它們是漸開線的基圓半徑b、回轉運動半徑ρ和角參數β(它代表定義漸開線的邊界條件)。然而，在流體機器的實際制造中;一般作法是使用立銑刀，因此這將給在加工條件下所用銑刀的直徑帶來某些實際限制。根據日本專利申請NO、206，088/1982中所公開的結構可以發(fā)現由于螺旋形構件輪廓中圓弧段E-D的曲率半徑R受限制而不得不采用小直徑立銑刀的情況。由于這樣的限制，有時由于立銑刀剛度不足等原因使螺旋形構件的加工誤差或加工周期不可避免地加大。
(Ⅱ)另外，當兩個螺旋形構件的加工有一定程度的誤差時或者當兩個螺旋形構件之間的相對位置關系有誤差時，可能在兩個螺旋形構件上產生異常力。例如在蝸殼式壓縮機的情況下，一般的趨勢是在高負載下運轉時在那些當機器運轉時存在著低壓值與高壓值之間的很大壓差的部位，上面指出的異常力可能變得更大。在這樣的條件下，圖14所示螺旋形構件的半徑為r的圓弧附近的前沿損壞的概率很高，因為這個前沿區(qū)的剛度比較小。
在其中兩個螺旋形構件設計成互相接觸的流體機器里，由于兩個螺旋形構件的徑向內曲線表面的相對滑動速度比其徑向外區(qū)的相對滑動速度大得多，所以在構件的徑向內表面將出現較大的磨損或磨蝕量。當這種磨損程度在機器以高負載運轉時偶而增加得超過允許的最大限度時，則在壓縮機和有關零件中產生過量的磨損屑，它最終將使機器失效。
即使在兩個螺旋形構件設計成不接觸式的場合，當兩個螺旋形構件的加工有一定程度的誤差時或者當所包含的兩個螺旋形構件之間的相對位置關系有誤差時，在機器運轉期間，在嚙合的互補螺旋形構件的前沿區(qū)內也將有相當大程度的磨損或磨蝕，因而可能引起失效或類似的異?，F象。
(Ⅲ)在其中有包含在壓縮機中的具有上面指出的形狀的螺旋形構件(252)、(242)的壓縮機結構中，有時會遇到，當處于在機器的低壓側和高壓側之間一般存在著相當大的壓差的高負載運時，有構件的徑向內部前沿區(qū)偶爾在運轉期間破壞的情況，這是因為螺旋型構件的如圖10(A)中箭頭所示的這個特定的內部前沿區(qū)的剛度或剛性比任何其他區(qū)都小。
此外，在兩個螺旋形構件安裝成互相接觸關系的流體機器結構中，在構件的徑向內表面可能出現較大的磨損或磨蝕量，因為在兩個螺旋形構件的徑向內曲線表面的相對滑動速度將變成比其徑向外部區(qū)的滑動速度大得多。另一方面，在兩個螺旋形構件設計成互相不接觸的流體機器結構的情況下，當兩個螺旋形構件的加工有一定誤差時或者當安裝在一起時它們之間的相對位置關系有誤差時，在機器運轉期間在所卷入的互補構件中很可能有損壞或異常磨損，尤其在其前沿區(qū)更是如此。
鑒于上面指出的情況和麻煩，本發(fā)明因而被具體化以便實施，并且基本上針對一種改進的旋轉式流體機器的構造，它能對這些問題提供一種有效的解決辦法。
(Ⅰ)于是，本發(fā)明的一個目的是提供用于旋轉式流體機器的螺旋形構件形狀的一種改進，它使得可以在其加工工序中使用直徑等于或稍小于待加工螺旋形構件中相對葉片區(qū)之間的空隙或間隙的一半的一個立銑刀，從而保證盡可能小的加工誤差，并縮短加工時間周期。
(Ⅱ)本發(fā)明的另一個目的是提供包含在流體機器中的螺旋形構件結構的一種改進，當兩個螺旋形構件的加工有一定誤差時或者當安裝在一起時它們之間的相對位置關系有誤差時，它可以防止在所卷入的構件中發(fā)生可能的損壞或異常磨損。
(Ⅲ)本發(fā)明還有一個目的是提供螺旋形構件形狀的一種改進，它可以防止在構件的徑向內部前沿發(fā)生象流體機器運轉時所遇到的可能的損壞或異常磨損。
根據本發(fā)明的本質，簡要地說提供一種旋轉式流體機器的改進結構，包括具有相同形狀并以互相嵌套的關系布置成互相錯開180度的兩個蝸殼形或螺旋形構件即一個固定螺旋形構件和一個回轉螺旋形構件，回轉螺旋形構件宜于以回轉運動半徑ρ按太陽運動關系相對于固定螺旋形構件回轉，這種改進結構可提供如下這樣的結構特點，即(Ⅰ)其中兩個螺旋形裝置分別定義成具有由一條漸開線組成的徑向外曲線段、由另一條漸開線和半徑為R的一段圓弧組成的徑向內曲線段、以及把徑向外曲線段與半徑為R的圓弧光滑連接的半徑為r的一段圓弧的輪廓，符合下式給出的幾何關系，即R＝ρ+bβ+dr＝bβ+dd =b2- (ρ2+ b β )22 (ρ2+ b β )]]>式中β≥π+π2·42·ρ2b]]>b是漸開線基圓半徑。
(Ⅱ)其中兩個螺旋形裝置分別用由一條漸開線組成的徑向外曲線、由帶有半徑為R的一段內圓弧的另一條漸開線組成的徑向內曲線、以及帶有半徑為r的一段圓弧并把徑向外曲線和半徑為R的圓弧連續(xù)光滑連接的一條連接曲線來定義，并且其中在兩個螺旋形裝置之間提供一個小空隙或間隙，當以這樣的方式安裝成互相嚙合關系時，在由如下式所給出的角參數β確定的、定義真正漸開線的邊界點之間的范圍內，整個內曲線和連接曲線或其部分可以脫離互相嚙合的關系，即R＝ρ+bβ+d
r＝bβ+dd =b2- (ρ2+ b β )22 (ρ2+ b β )]]>式中，b是漸開線基圓半徑。
(Ⅲ)其中兩個螺旋形裝置分別用由一條漸開線組成的徑向外曲線、由帶有半徑為R的一段內圓弧的另一條漸開線組成的徑向內曲線、以及帶有半徑為r的一段圓弧并把徑向外曲線和半徑為R的圓弧連續(xù)光滑連接的一條連接曲線來定義，并且其中在兩個螺旋形裝置之間提供一個小空隙或間隙，當以這樣的方式安裝成互相嚙合關系時，在角參數β所確定的定義真正漸開線的邊界點稍微往外的區(qū)域內的由角參數(β+△β)所確定的兩點之間的范圍內，整個內曲線和連接曲線或其部分可以脫離互相嚙合的關系，符合下式，即R＝ρ+bβ+dr＝bβ+dd =b2- (ρ2+ b β )22 (ρ2+ b β )]]>式中b是漸開線基圓半徑。
借助于上面指出的這樣一種有利的結構，保證了下列(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅲ)條中這樣的效應和功能，即(Ⅰ)用于廉價高性能的旋轉式流體機器中的螺旋形構件形狀的改進，使得可以把直徑足夠大的立銑刀用于待加工的螺旋形構件中相對葉片區(qū)之間空隙或間隙的加工工序，從而保證盡可能小的加工誤差并縮短加工時間周期。
(Ⅱ)用于旋轉式流體機器中的螺旋形構件形狀的改進，能有助于通過防止在所卷入的構件中發(fā)生可能的損壞和異常磨損來保證流體機器具有長工作壽命和高性能，由此在投入工業(yè)應用時可以帶來明顯的利益。
(Ⅲ)用于流體機器中的螺旋形構件形狀的改進，可以有效地防止在構件的徑向內部前沿區(qū)發(fā)生在普通結構中當運轉時所遇到的可能的磨損或損壞，由此可提供一種高性能流體機器，它在投入工業(yè)應用時可以帶來明顯的利益。
考慮下面示范的按目前的理解實現本發(fā)明的最佳方式的最佳實施例的詳細說明，本發(fā)明的附加特點和優(yōu)點對于通曉該技術的人員將變得更明顯。詳細說明具體地對照附圖。
圖1是表示作為本發(fā)明的第一最佳實施例的包含在旋轉式流體機器中的蝸殼形或螺旋形構件的形狀的示意正視圖;
圖2是表示作為本發(fā)明的第二實施例的螺旋形構件的類似的正視圖;
圖3、圖4和圖5分別是表示圖2所示螺旋形構件的輪廓的進一步改進的類似正視圖;
圖6是表示本發(fā)明的第三實施例的類似正視圖;
圖7是表示在圖6所示螺旋形構件的前沿區(qū)周圍產生的壓力分布的示意模型圖;
圖8和圖9是表示圖6所示螺旋形構件輪廓的改進的類似正視圖;
圖10是依次表示已經公知的蝸殼式壓縮機的工作原理的一組示意圖;
圖11是表示已經公知的蝸殼式壓縮機總成的總體結構的縱剖視圖;
圖12是沿圖11中的Ⅻ-Ⅻ線所取的橫剖視圖;
圖13是以剖面表示互補的螺旋形構件的相對工作關系的變化方式的一組局部放大圖;
圖14是表示日本專利申請NO、206，088/1982中公開的先有技術螺旋形構件的部分輪廓的示意正視圖;
圖15是表示裝在蝸殼式壓縮機上時，圖14所示的互補螺旋形構件的相對工作關系的變化方式的一織局部放大剖視圖。
下面償助于實際上適用于旋轉式流體機器的第一最佳實施例對照本發(fā)明。參見圖1，它是螺旋形構件的正視圖，其中類似的部分標注相同的標號，而且這里以與圖14中相同的比例尺畫出這些類似構件。此外應該指出，所用字母R、r和d與上面式(1)、(2)和(3)中出現的字母一致，而參數β取為滿足下式(4)，即β≥π+π2·42·ρ2b(4)]]>在此圖中畫出一個固定螺旋形構件(505)的輪廓，它有徑向外表面曲線(701)和徑向內表面曲線(702)。還可看出，徑向外曲線(701)由一條漸開線組成，漸開線起點為A點，其基圓半徑為b。還畫出在徑向內曲線(702)上過E點和F點的曲線段，它是相對于徑向外曲線(701)錯開其相位角(π-ρ/b)的一條漸開線。曲線段D-E是半徑為R、圓心為O2的一段圓弧，如式(1)所給出的那樣。此外還畫出一段連接曲線(703)，它把徑向外曲線(701)和徑向內曲線(702)連接起來，它是半徑為r、圓心為O1的一段圓弧，如式(2)所給出的那樣。A點是基圓半徑為b的外曲線(701)漸開線的起點，而B點是外曲線(701)與連接曲線(703)之間的邊界點，兩曲線在該點共有同一條切線。
還畫出C點是存在于外曲線(701)的足夠遠的范圍內的一點，而D點是內曲線(702)和連接曲線(703)之間的邊界點，半徑分別為R和r的兩段圓弧在該點相切。
E點是內曲線(702)上圓弧D-E與漸開線E-F之間的邊界點，兩曲線在該點共有同一條切線。F點是存在于內曲線(702)的足夠遠的范圍內的一點。
現在可以看出，角參數β代表過原點O的一條直線與負半X軸之間的夾角，過漸開線基圓圓心O并定義成β角的該直線與基圓的兩個交點分別在直線EO2和BO1的延長線上求出。還可以看出，兩直線EO2和BO1的延長線與基圓在上面指出的交點處相切，而這些直線EO2和BO1的延長線是互相平行的。
在回轉螺旋形構件部分也以類似方式很好地保持這種幾何關系。
在上面考察的這種螺旋形構件形狀中，應該指出，螺旋形構件的相對葉片表面之間的空隙或間隙TG可以由下面式(5)給出，即TG＝πb+ρ (5)在此關系式中采用式(4)給出的參數，內曲線的圓弧段半徑R可由下面式(6)給出R≥TG(6)用這種螺旋形構件形狀，現在實際可行的是用直徑等于或稍小于螺旋形構件的空隙或間隙TG的立銑刀加工在螺旋形構件的相對葉片之間有限空間里的區(qū)段和圓弧段E-D。因此，在有這樣的尺寸限制的螺旋形構件上用直徑比較大的立銑刀來加工是切實可行的，從而有助于解決有時在普通結構的螺旋形構件中碰到的麻煩。
關于本發(fā)明的上面指出的最佳實施例，如下所示的許多改進和變動是切實可行的，它們是(1)如圖1中用虛線典型地表示的那樣，在曲線段E-G還可以定義帶有小間隙或凹進部分△C的一條備選的徑向內曲線(710)，它向內曲線(702)的徑向外側凹入。
在這種形狀中，G點是存在于連接曲線(703)上D點與B點之間的任意一點，為了圖解清晰起見，將該凹進部分△C從實際凹進部分尺寸按比例放大，該凹進部分可以制成非常小的尺寸。
(2)雖未畫出，代替上面第(1)款中指出的徑向內曲線上的凹進部分△C的構造，當然可以在連接曲線部分相應地提供備選的凹進部分△C。
(3)一種備選的形狀是這樣的，即一個螺旋形構件可以如圖1所示，而僅僅在互補的螺旋形構件上可以帶有曲線凹進部分△C，它可以作成與內曲線和外曲線二者的輪廓組合，如上述第(1)和第(2)款中指出的那樣。
(4)另外，也可以采用這樣一種備選結構，即兩個螺旋形構件都作成帶有小凹進部分的，從而在內曲線和連接曲線部分定義它們之間的間隙。
在隨便哪一種符合第(1)至第(4)款中所示改進的構件輪廓的情況下，僅定義它們之間一個小間隙△C，它能有效地帶來有利的效應，如這樣設計的日本專利申請NO、206，088/1982所企望的那樣，從而得到流體機器效率的真正改善。
(5)總之應該指出，本發(fā)明不僅對壓縮機而且對其中包含蝸殼形或螺旋形構件的任何其他設備都可相應地取得同樣有效的結果。
下面借助于實際上適用于旋轉式流體機器的第二最佳實施例對照本發(fā)明。圖2是作為第二實施例的螺旋形構件的正視圖，而圖3、圖4和圖5也是分別表示本發(fā)明的進一步改進的類似正視圖。
在圖2中，類似的部分標注類似的標號，而且這里以與圖14中相同的比例尺畫出這些類似構件。現在參見圖2，其中以標號(701)圖出固定螺旋形構件，它有徑向外曲線(711)和徑向內曲線(712)。
可以看出，徑向外曲線(711)是起點為A、基圓半徑為b的一條漸開線，徑向內曲線(712)的曲線段E-F是相對于外曲線(711)有角位移(π-ρ/b)的一條漸開線。還可看出，曲線段E-I是有與所用立銑刀半徑相同的半徑Rc的一段圓弧，而曲線段I-G是有圓心O3和半徑R的一段圓弧。還畫出連接曲線(713)，它是半徑為r的一段圓弧，它與外曲線(711)及內曲線(712)光滑連接。
在這種螺旋形構件輪廓中，應該指出，內曲線(712)的E-I-G段畫成帶一個小間隙△C，比圖14中所示的內曲線(602)更接近外曲線(711)。雖然為了圖解清晰已將間隙△C相當放大，但實際上凹進部分的尺寸很小。
B點是存在于外曲線(711)和連接曲線(713)之間的邊界點，這些曲線可在該點共有同一條切線?？梢钥闯觯贐點以外的范圍內(在C點側)它是一條漸開線，而在B點以內的范圍內(在G點側)它變成一段圓弧。
A點是外曲線(711)的起點，C點是存在于外曲線(711)的足夠遠范圍內的一個任意點，而F是存在于內曲線(712)的足夠遠范圍內的一個任意點。G點是內曲線(712)中半徑為R的圓弧與連接曲線(713)之間的交點，而且此點可以在D-B范圍內半徑為r的圓弧上的任意位置。
此外應該指出，在回轉螺旋形構件的場合也可以很好地保持這種尺寸關系。
于是，半徑R和r可由下式給出，即R＝ρ+bβ+dr＝bβ+d式中，ρ是回轉運動的半徑;
b是基圓半徑
d =b2- (ρ2+ b β )22 (ρ2+ b β )]]>β是代表選擇漸開線的邊界范圍的參數。
可以看出，過原點O并相對于X軸定義成β角的直線與直線EO2和直線BO1的延長線互相垂直相交，而直線段EO2與BO1是互相平行的。
在本發(fā)明的此實施例中找出的與圖14所示者的主要差別在于內曲線(712)的曲線段E-I-G的形狀及連接曲線(713)的B-G段的長度，而且可以看出，圖2中的虛線相當于圖14中所示的對應曲線。
根據此實施例中螺旋形構件的形狀，應該指出，當安裝到位時，固定螺旋形構件(701)的內曲線上足夠遠的任意點處漸開線上的F點將與回轉螺旋形構件(未畫出)部分上外曲線的漸開線段上的對應點接觸，隨著，回轉螺旋形構件的回轉運動該接觸點將逐漸徑向內移。而且接觸點移向固定螺旋形構件(701)的內曲線(712)上的E點，與回轉螺旋形構件外曲線上的對應點(與固定螺旋形構件部分上的B點相同的點)相接觸。隨著螺旋形構件的回轉運動進一步繼續(xù)下去，可以看出現在使兩個構件運動帶有定義在曲線(602)的曲線段E-D-G和曲線(712)的E-I-G段之間的間隙△C。
因而應該指出，兩個螺旋形構件之間在其中心前沿處的接觸嚙合將繼續(xù)到達E點(與相補螺旋形構件上的B點接觸)之前，此后在互相嚙合的二者之間存在一個小間隙△C。用這種獨特的螺旋形構件結構，可以實現下列效果和功能，即(1)可以有效地防止裝在一起的螺旋形構件之間發(fā)生作用力過大的嚙合這種異常狀態(tài)的危險，即使當這些構件的加工有一定程度的誤差時或者當這些螺旋形構件互相不處于正確的安裝狀態(tài)時也是如此。由于這樣的優(yōu)點，可以相應地防止在高負載運轉時剛度比較小的螺旋形構件上半徑為r的圓弧段的損壞。
(2)除了防止這種螺旋形構件過載嚙合異常狀態(tài)的有利效果外，還可實現另一個優(yōu)點，即可以相應地防止螺旋形構件上相對于與之嚙合的相補構件有比較大的滑動的內部前沿區(qū)過分磨損的麻煩。
(3)用小間隙△C，可以大體上實現已在日本專利申請NO、206，088/1982中具體化的技術原理，從而使它可行以提供具有高效率性能的旋轉式流體機器。
(4)由于對螺旋形構件的加工工序中的有利措施，即內曲線(712)的曲線段E-I可制成有與所用立銑刀半徑相同的半徑Rc，而I-G段是半徑為R的圓弧，所以對螺旋形構件的加工工序可以光滑地進行而沒有任何重要的實際加工困難。
于是應該指出，本發(fā)明的本質在于與日本專利申請NO、206，088/1962中實現的結構有關的螺旋形構件的這樣的結構措施，即通過由角參數β確定的、定義在漸開線的邊界點E和B的之間的內曲線(712)或(602)，及連接曲線(713)或(603)，當組合成相互嚙合時，在螺旋形構件回轉運動期間在E-B范圍內可以表現出真正微小的間隙。
關于螺旋形構件的這種特殊結構，可以引入如下所示的對其形狀的改進和變動。
(1)圖2所示的圓弧E-I的半徑與所用立銑刀的半徑相等這一點不是很重要的，它也可以大于立銑刀的半徑。此外，圓弧I-C的半徑R可以等于或大于式(1)中給出的R值，而且它也可以是曲率等于或大于立銑刀半徑的任何曲線。
簡單地說，只要提供一個空隙或間隙△C，使徑向內曲線可以從E-B段變得更接近于徑向外曲線就可以了。
(2)代替沿圖14所示的E-B段的間隙△C的措施，也可以根據需要僅在E-B段的任意部分提供間隙△C，如圖3所示。
在這種形狀中，畫出了標注著標號(802)的螺旋形構件，內曲線上帶有H點，在H-E之間是半徑為R的圓弧，徑向內曲線畫成從圖14所示的曲線(602)凹入一個小空隙或間隙△C。用這種螺旋形構件形狀，它這樣構成，即根據符合參數β的H點來定義圖14所示的內曲線(602)和間隙△C。
(3)作為代替內曲線上的空隙或間隙△C的措施，也可以在連接曲線上提供間隙△C，如圖4所示。
在這種特殊形狀中，畫出了標號(913)的連接曲線，它畫成從圖14的連接曲線(603)凹入一個小間隙△C。這種形狀可以通過給出與內曲線(602)在內曲線側(E點側)范圍內的交點J而不是圖14所示的連接曲線(603)與內曲線(602)的交點D來定義。
(4)螺旋形構件的另一種形狀可以如圖5所示這樣來構成，即固定螺旋形構件與回轉螺旋徑構件中隨便哪一個取圖14所示的輪廓，而僅在另一個螺旋形構件部分的內曲線和連接曲線中提供一個小間隙△C。
在這種形狀中，安排成半徑R、r的有關尺寸分別為R′＞R和r′＞r。
應該指出，畫出了內曲線(912)、連接曲線(914)，而K點是曲線(912)和(914)之間之間的連接點，在曲線EKB和EDB之間提供了較小的間隙，曲線EDB示于圖14。
此外，提供具有圖5所示輪廓的兩個螺旋形構件實際上也是可行的，其中當符合關系式(R′-r′＝ρ)時可以使R′和r′的交點互相真正相切，從而保證曲線接合處的光滑連接。
根據上面第(3)和第(4)款中說明的改進，可以預料定義在螺旋形構件的中心前沿區(qū)的小圓的曲率將變得比實用例稍小些，這可能造成剛度隨曲率的減小而相應降低。不過，間隙如此之小，以致于這種程度的曲率減小完全不會帶來很大的影響。
(5)本發(fā)明除了用于壓縮機外自然完全適用于任何其他旋轉構件式機器，如泵、膨脹機等。
下面借助于其第三最佳實施例對照本發(fā)明。圖6是作為第三實施例的螺旋形構件的正視圖，圖7是表示在圖6所示的螺旋形構件內部前沿區(qū)周圍的壓力分布的局部模型圖，而圖8與圖9也是分別表示本發(fā)明的其他改進的類似正視圖。
在這些圖中，類似的部分標注類似的標號，而且這里以與圖14中相同的比例尺畫出這些類似構件?，F在參見圖6，其中以標號(701)畫出固定螺旋形構件，它有徑向外曲線(601)和連接曲線(603)，這些標號與圖14中相同。
在該圖中，內曲線標號為(702)，它是從存在于足夠遠處的F點延伸到H點的漸開線，H點對應著(β+△β)值，即角參數β加一個增量△β。在H點以內的范圍內，可以看出內曲線(702)定義為帶有離開圖14所示的內曲線(602)的一個微小的凹入部分△C。
更準確地說，根據圖14所示的形狀應該指出，這是定義在E點以外范圍內的一條漸開線，E點由參數β確定，它給出符合真正漸開線的邊界條件。與此相反，根據圖6應該指出，僅在H點以外范圍內的內曲線上定義漸開線，H點對應著參數(β+△β)，適用于E點以外的范圍，△β最好定義為10至15度或更大一些。
在這種形狀中，有pp′⊥p′H和QQ′⊥Q′E這樣的關系，式中p、p′、Q和Q′是基圓上的點，而在p′點Q′點處基圓上的切線分別為p′H和Q′E。
此外應該指出，G點是內曲線(702)和連接曲線(603)之間的交點，它存在于連接曲線(603)上B-D段內。H′點是從p點引出的與基圓相切的切線與外曲線(601)的交點，連接曲線(603)的半徑r與圖14所示者相同，而且在固定螺旋形構件中可以良好地保持同樣的尺寸關系。
如果使兩個安裝成互相嚙合關系的螺旋形構件相對回轉運動，應該指出，首先在回轉螺旋形構件部分上外曲線的漸開線段上的點處出現嚙合狀態(tài)，該點對應著固定螺旋形構件的內曲線中漸開線的外點F，這種嚙合狀態(tài)逐漸向構件的內部中心區(qū)前進。然后可以看到，固定螺旋形構件內曲線漸開線段上的H點將與回轉螺旋形構件外曲線漸開線段上的H′點嚙合，此后兩個構件以一個小間隙△C相對回轉。
更準確地參見圖14所示的形狀，可以看到在由符合真正漸開線的邊界條件的參數確定的E點和B點的嚙合狀態(tài)。與此相反，根據本實施例應該指出，這種在互補構件中的互相嚙合狀態(tài)將以一個提前值△β宣告結束并開始互相脫離。
在這一瞬間，在內曲線(702)的內部范圍或靠近連接曲線(603)，那里兩個螺旋形構件在互相分離之前處于互相嚙合中，在外曲線(601)的靠近連接曲線(603)的點處，以及在連接曲線本身上，存在著輸出壓力或較高的壓力P0的負載。另一方面，在外曲線中嚙合點以外或內曲線中嚙合點以外的范圍內，變成處于增加壓縮階段的比較低的壓力負載p′。
現在，用關于螺旋形構件周圍的壓力分布的示意模型來考察，兩個螺旋形構件開始互相脫離處的狀態(tài)如圖7(B)所示，而圖7(A)表示圖14所示形狀的狀態(tài)。
更準確地說，根據圖14所示的螺旋形構件形狀，從圖7(A)的示意圖可以看出，在靠近螺旋形構件前沿區(qū)剛度比較小的箭頭所指點的B點處壓力分布從p′變到P0。與此相反，從表示根據本發(fā)明改進的螺旋形構件形狀的圖7(B)可以看出，壓力變化發(fā)生在其位置離開箭頭點比較遠的H′點處。
由于在圖14所示的螺旋形構件形狀中出現這樣的壓力偏差，應該指出，構件將在圖7(A)所示的箭頭點處因為壓差(P0-P′，忽略兩個構件之間嚙合產生的機械損失)而受到變形，從而產生相應的應力。然而，在根據本發(fā)明的螺旋形構件形狀中，如圖7(B)所示應該指出，在箭頭點處產生的現有壓力將互相平衡，從而是比較小的，于是這將有助于明顯地防止構件的該區(qū)發(fā)生可能的損壞。
另一方面，如上面所指出的那樣，當嚙合點向構件的內區(qū)或中心區(qū)移動時，在螺旋形構件的互相嚙合的表面上可以觀察到明顯較高的滑動速度，這意味著在所卷入的構件的嚙合點有較高的磨損速度。與此相反，由于構件的互相嚙合僅發(fā)生在構件的相對滑動速度明顯低于普通形狀的滑動速度的范圍內，所以構件的磨損速度將明顯降低。
此外，在螺旋形構件的加工或裝配中偶爾出現誤差的情況下，互補構件之間的異常接觸或嚙合即使在非接觸型中也將是不可避免的，然而在根據本發(fā)明的螺旋形構件的內部前沿區(qū)中，將能有效地避免這樣的異常嚙合。結果，在互補構件的該前沿區(qū)將不出現磨損或損壞。
再有，由于在根據本發(fā)明的螺旋形構件形狀中凹進部分或間隙△C值僅是很小的，應該指出，由日本專利申請NO、206，088/1982具體化的優(yōu)點基本上沒有任何犧牲，因而有助于整個流體機器的高效率性能。
關于如以上的最佳實施例中所考察的、為本發(fā)明所特有的、包含在旋轉式流體機器中的螺旋形構件的有利結構，實踐中可以實現許多如下所述的有用的改進和變動，它們是(1)改進在于，代替包含在流體機器中的固定和回轉兩個螺旋形構件的形狀相同的結構，其中具有同一個參數(β+△β)的兩個構件的嚙合有同一個脫離點，改用具有不同形狀的螺旋形構件的構造，即一個螺旋形構件有參數(β+△β)而另一個構件有參數(β+△β′)，(△β≠△β′)，從而這些構件可以在有關的不同點處脫離互相嚙合的關系。
(2)改進在于，代替凹進部分△C在螺旋形構件徑向內曲線上的構造，可以在徑向外曲線部分提供一種備選的凹進部分△C，如圖8中典型地表示的那樣。
在這種改進中，結構中在從外曲線上的H′點起沿著它的部分并沿著連接曲線和內曲線對應著參數(β+△β)的部分延伸的曲線段里，提供比普通輪廓曲線(601)、(603)和(602)更小的間隙或凹進部分△C，從而形成一條任意曲線(751)。那么，這樣得到的曲線(751)與內曲線(602)的交點G可在D點與E點之間的范圍內適當地確定。
用這種結構的兩個螺旋形構件，可以實現與圖6所示者大體上相同的效應。
不過，代替連接曲線(603)畫出了有更向內的凹進部分的曲線(751)。雖然此曲線可能在此曲線結構中帶來稍小一點的剛度，但由于間隙△C僅有很小的值，這不會造成很大的影響。
(3)如圖9所示的改進在于，提供一個具有與圖14所示者相同的形狀的螺旋形構件，僅另一個構件可能有輪廓曲線(761)，其中在H點與H′點之間給出一個小間隙△C，以致于兩個構件可以在由參數(β+△β)確定的并且在參數β所確定的E點和B點外側的H點和H′點處脫離其互相嚙合關系。
在這種改進中，代替對應著同一個參數(β+△β)的H、H′點的構造，可以分別提供例如有參數(β+△β)的H點和有參數(β++△β′)的H′點，(△β≠△β′)，這在實踐中也是可行的。
(4)總之應該指出，本發(fā)明不僅適用于旋轉式壓縮機，而且適用于其中包含蝸殼式或螺旋形構件的任何其他設備，如泵裝置、流體膨脹機等，都可相應地取得同樣有效的結果。
雖然本發(fā)明的典型最佳實施例已在上面徹底說明，可以理解，本發(fā)明并不限于最佳實施例中所示的具體結構細節(jié)，而是與此相反，在上述說明中可以作出許多變動或改進而不受其任何限制、不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
還可以理解，所附的權利要求
書旨在包括屬于這里公開的本發(fā)明的所有這些一般和特殊細節(jié)及與本發(fā)明的范圍有關的在語言上可以說屬于其范圍的所有陳述。
權利要求
1.一種旋轉式流體機器，它包括分別具有大體上相同的形狀并以互相嵌套的關系布置成在其中互相錯開180度的固定螺旋形裝置和回轉螺旋形裝置，回轉螺旋形裝置宜于以回轉運動半徑ρ按太陽運動關系相對于固定螺旋形裝置回轉，其中上述兩個螺旋形裝置分別定義成具有由一條漸開線組成的徑向外曲線段、由另一條漸開線和半徑為R的一段圓弧組成的徑向內曲線段、以及把上述徑向外曲線段與上述半徑為R的圓弧光滑連接的半徑為r的一段圓弧的輪廓，符合下式給出的幾何關系，即R=ρ+bβ+dr=bβ+dd =b2- (ρ2+ b β )22 (ρ2+ b β )]]>式中，β≥π+π2·42·ρ2b]]>b是上述漸開線的基圓半徑。
2.一種旋轉式流體機器，它包括分別具有大體上相同的形狀并以互相嵌套的關系布置成在其中互相錯開180度的固定螺旋形裝置和回轉螺旋形裝置，回轉螺旋形裝置宜于以回轉運動半徑ρ按太陽運動關系相對于固定螺旋形裝置回轉，其中上述兩個螺旋形裝置分別用由一條漸開線組成的徑向外曲線、由帶有半徑為R的一段內部圓弧的另一條漸開線組成的徑向內曲線、以及帶有半徑為r的一段圓弧并把上述徑向外曲線與上述半徑為R的圓弧連續(xù)光滑連接的一條連接曲線來定義，并且其中在上述兩個螺旋形裝置之間提供一個小空隙或間隙，當以這樣的方式安裝成互相嚙合關系時，在由如下式所給出的用角參數β確定的、定義真正漸開線的邊界點之間的范圍內，上述整個內曲線和連接曲線或其部分可以脫離上述互相嚙合的關系，即R＝ρ+bβ+dr＝bβ+dd =b2- (ρ2+ b β )22 (ρ2+ b β )]]>式中，b是上述漸開線的基圓半徑。
3.一種旋轉式流體機器，它包括分別具有大體上相同的形狀并以互相嵌套的關系布置成在其中互相錯開180度的固定螺旋形裝置和回轉螺旋形裝置，回轉螺旋形裝置宜于以回轉運動半徑ρ按太陽運動關系相對于固定螺旋形裝置回轉，其中上述兩個螺旋形裝置分別用由一條漸開線組成的徑向外曲線、由帶有半徑為R的一段內部圓弧的另一條漸開線組成的徑向內曲線、以及帶有半徑為r的一段圓弧并把上述徑向外曲線與上述半徑為R的圓弧連接光滑連接的一條連接曲線來定義，并且其中在上述兩個螺旋形裝置之間提供一個小空隙或間隙，當以這樣的方式安裝成互相嚙合關系時，在角參數β所確定的定義真正漸開線的邊界點稍微往外的區(qū)域內的由角參數(β+△β)所確定的兩點之間的范圍內，上述整個內曲線和連接曲線或其部分可以脫離上述互相嚙合的關系，即R＝ρ+bβ+dr＝bβ+dd =b2- (ρ2+ b β )22 (ρ2+ b β )]]>式中，b是上述漸開線的基圓半徑。
專利摘要
一種旋轉式流體機器，它包括分別具有大體上相同形狀的固定螺旋形構件和回轉螺旋形構件。其中兩個螺旋形構件分別定義成具有由一條漸開線組成的徑向外曲線段，由另一條漸開線和半徑為R的一段內部圓弧組成的徑向內曲線段、以及把徑向外曲線段與半徑為R的圓弧光滑連接的半徑為r的一段圓弧的輪廓，從而保證螺旋形構件上最小可能的加工誤差并由此縮短加工時間周期?；蛘咂渲性趦蓚€螺旋形構件之間提供一個小空隙或間隙，以這樣的方式安裝成互相嚙合關系，由此保證整個旋轉式流體機器的長使用壽命和高效率性能。
文檔編號F04C2/00GK85104862SQ85104862
公開日1987年3月4日 申請日期1985年6月25日
發(fā)明者平野隆久, 萩本清 申請人:三菱重工業(yè)株式會社導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan