基于Frenet标架的变截面涡旋型线构建与性能研究

在涡旋压缩机的型线设计中,针对传统等截面涡旋型线压缩比低、动静涡旋面积利用率不够充分等问题,提出一种新型的变截面涡旋型线.运用Frenet标架分段构建了由圆渐开线和三次曲线组合而成的涡旋型线并建立了该型线的基本几何理论.引入行程容积、压缩比、面积利用系数、轴向气体力以及切向气体力对涡旋型线的性能进行评价.结果表明,与传统的由单一圆渐开线构成的等截面涡旋型线相比,新构建的变截面涡旋型线的几何性能显著提高,而动力性能的变化幅度较小;行程容积、压缩比和面积利用系数分别提高了8.80%、10.57%和8.84%.     

基于Frenet标架的变截面涡旋压缩机型线的研究

针对传统变截面涡旋型线难以达到最佳压缩特性的问题,提出了一种基于Frenet标架的涡旋型线构建方法,利用该方法构建了由不同基圆半径的圆渐开线组合而成的变截面涡旋型线,并提出了该型线的基本几何关系,推导了工作腔容积计算公式,引入了行程容积、压缩比和面积利用系数三个性能指标对其性能进行评价.结果表明:新构建的变截面涡旋型线与传统的变截面涡旋型线相比,其行程容积、压缩比和面积利用系数分别提高了9.12%,16.44%和9.06%.     

一种由代数螺线构成的变截面涡旋机械

通过将渐变壁厚涡旋模型和变截面涡旋模型相结合,尝试建立一种兼顾两者优点的变截面涡旋模型.给出不同极径的代数螺线相互替代的充要条件,阐述建立基线的基本条件,论述型线的生成方法,推导出型线的一般方程,建立一种由代数螺线组成的新型变截面涡旋机械.给出建立几何模型的快捷方法,根据不同的要求可以快速建立一系列代数螺线变截面涡旋模型,减少建立变截面涡旋模型的计算量.研究结果表明:在相同极径、终端展角、偏心距和齿高的情况下,新型代数螺线变截面涡旋模型的排气量比圆渐开线等壁厚涡旋模型提高了21%,且以较少圈数即可实现高压缩比.     

圆渐开线变截面涡旋压缩机型线的参数优化

圆渐开线变截面涡旋压缩机的优化设计均以几何性能为目标。为了得到在几何性能和力学性能方面更为优越的涡旋压缩机,文章建立圆渐开线变截面涡旋压缩机压缩比和轴向气体力的数学模型,分析压缩比和轴向气体力随型线参数的变化趋势;结合几何性能和力学性能,以压缩比倒数和轴向气体力为目标函数,利用多目标遗传算法对其进行优化,得到不同参数变化下的非劣解集。对优化型涡旋盘与未优化涡旋盘进行的定量分析结果表明,优化型涡旋盘的压缩比提高了16.14%,轴向气体力降低了5.62%,证明了优化的可行性。该研究为圆渐开线变截面涡旋压缩机设计时型线参数的选取提供了一定的参考。     

变基圆渐开线涡旋体热弹性耦合分析

文章以汽车空调涡旋压缩机为研究对象,重点分析了变基圆渐开线涡旋型线的几何理论,建立了变基圆渐开线涡旋型线的方程;利用有限元分析软件ANSYS,在气体温度和压力耦合载荷工况下,对比分析了定、变基圆渐开线涡旋体的应力和应变。研究结果表明,在相同制冷量的条件下,变基圆渐开线涡旋体的结构特点优于定基圆渐开线涡旋体,能够更好地适应压缩机的复杂工况条件。     

变径基圆渐开线涡旋型线的研究

利用微分几何共轭曲面理论,证明了变径基圆渐开线作为涡旋压缩机型线的可行性,建立了该型线的几何理论,分析讨论了该型线的基本特点,表明变径基圆渐开线型线的受力及结构均优于圆渐开线,有很好的应用前景,同时为变壁厚涡旋压缩机的设计提供了一种新方法.     

型线参数对变截面涡旋压缩机齿厚的影响

为定量研究变截面涡旋压缩机的齿厚变化规律,提出一种由圆渐开线、高次曲线和圆弧组合而成的变截面型线,根据几何模型得到了一种计算变截面涡旋齿齿厚的数学模型,通过对此数学模型的求解,详细分析了影响齿厚的因素,精确建立了齿厚与型线参数（基圆半径、回转半径、齿厚控制系数、最大展弦和连接点）之间的关系.研究表明:所建立的数学模型能够准确描述变截面涡旋齿的齿厚变化规律,并且可以根据设计需求对齿厚的大小以及变齿厚的起始位置进行定量设计,为涡旋齿的柔性化设计提供了思路,该数学模型同样适用于其他类型组合型线的涡旋齿齿厚计算.      

代数阿基米德螺旋涡旋型线的研究

利用微分几何共轭曲面和法向等距曲线理论,证明了代数阿基米德螺旋线作为涡旋压缩机型线的可行性,并分析讨论了代数阿基米德螺旋型线的基本特点,为变截面涡旋压缩机的设计提供了一种新的方法,同时表明代数阿基米德螺旋型线的结构及受力均优于圆的渐开线,有较好的应用前景。     

基于自适应NSGA-Ⅱ算法的变截面涡旋盘优化

针对目前对涡旋压缩机涡旋盘的优化设计多以几何性能最佳为优化目标,其力学性能较差这一缺点,提出了基于自适应第二代非支配遗传算法(NSGA-Ⅱ)、综合考虑力学性能和几何性能的变截面涡旋盘多目标优化设计方法.针对由基圆渐开线和高次曲线组成的变截面涡旋盘,确立了以涡旋型线特征参数表示的动涡旋轴向气体力及内容积比数学模型,以轴向力最小和内容积比最大为设计目标进行多目标优化设计,引入了根据种群的进化状态来进行自我调节的交叉算子和变异算子,以提高NSGA-Ⅱ算法的效率和最优解的分布均匀度,并得到了Pareto最优解集.在最优解集中挑选三种优化型涡旋盘与传统型涡旋盘进行对比分析,其最大轴向气体力分别减少了3.20%,1.08%和1.90%,内容积比分别提高了5.37%,6.64%和3.35%,表明提出的优化方法可以得到综合性能较优的变截面涡旋盘.     

变截面型线涡旋压缩机的CFD流场分析

建立了变截面三段基圆渐开线和变截面高次曲线涡旋压缩机压缩腔二维物理模型,借助计算流体动力学(CFD)方法对压缩机工作过程进行瞬态数值模拟,得到压缩腔在曲轴转角为30°~150°时的速度场、压力场分布图.研究了两种变截面型线压缩腔流场分布特点及型线曲率对流场的影响,并与传统等截面型线进行了对比分析.结果表明:涡旋压缩腔流场分布受型线曲率的影响比较大,在同一主轴转角变化范围内变截面压缩腔速度变化趋于平缓,这也为涡旋压缩机的动平衡研究提供了依据.     

涡旋压缩机的变基圆型线研究

研究了具有内、外起始角的变基圆涡旋型线,根据展开角是否在x轴起始,给出两种形式的变基圆外型线方程,并明确给出相对应的内型线方程,推导出偏心距的表达式,分析了两种形式的变基圆涡旋型线方程的关系.对两种形式的变基圆涡旋型线进行双圆弧齿头修正,给出双圆弧修正型线方程,分析两种情况下修正型线方程的关系,并探究修正展角对修正齿头几何形状与压缩比的影响,为变基圆涡旋型线的研究提供了一定的理论基础和应用参考.     

二阶连续渐开线变截面涡旋盘的谐响应分析

以二阶连续三段圆渐开线变截面组合型线动涡旋盘为研究对象,通过建立动涡旋盘的三维实体模型,借助ANSYS Workbench对其进行了模态分析,得到前六阶固有频率和各振型对应的各点综合位移图.在此基础上以计算工况为危险工况对动涡旋盘进行了谐响应分析,得到涡旋齿在指定路径上的变形及不同路径上应力、应变随频率的变化规律,并与等截面涡旋齿的动态特性进行比较,定量给出了等、变截面涡旋盘的峰值响应,证明了变截面涡旋齿在动态特性方面的优越性.     

涡旋齿数对多齿涡旋压缩机性能的影响

建立适用于任意齿数的多齿涡旋盘通用几何模型,得到压缩机吸气量、压缩比及相对滑动速度等性能参数随涡旋齿数的变化规律,讨论齿厚、齿高和节距等涡旋盘结构参数的制约条件和齿数对涡盘性能的影响,并对圆渐开线与正多边形渐开线作为多涡旋齿齿壁型线的区别进行分析对比.结果表明:与单涡旋齿涡旋压缩机相比,当基圆?膊 半径不变时,多涡旋齿相对滑动速度明显减小;当节距不变时,多涡旋齿吸气量明显增加;多齿涡旋压缩机可同时提高排气量、减小压缩机外形尺寸和摩擦损失,更适用于较大吸气量的应用场合.     

涡旋膨胀机改造及试验性能研究

针对涡旋膨胀机普遍存在输出功率和气动转化效率相对较低的问题,提出了基于涡旋体型线修正和进口面积调整的2种涡旋膨胀机结构改造方法。以具有圆弧加直线型线结构的涡旋压缩机为例,采用圆渐开线加过渡直线的组合型线修正方法,结合进口面积调整原则完成了涡旋膨胀机改造。试验结果表明:改造后样机全效率最高可达53%,输出功率随供气压力升高而增大,其中550kPa供气压力时输出功率可达780W;相同工况下,进口面积增大30%,输出功率增幅可达100W,全效率提高10%。该结果验证了涡旋膨胀机结构改造方法的有效性,为涡旋膨胀机结构设计和实用化奠定了理论和实践基础。     

涡旋压缩机共轭型线啮合特性分析

对形成共轭型线的几种方法进行了比较分析,应用微分几何学中的等距曲线理论,以基圆渐开线为例,分析了涡旋压缩机共轭型线的特性,导出了变壁厚加速螺线型线的数学表达式,并阐述了该型线的特点.依据分析可知:等距平面曲线理论适用于常用共轭型线的设计并能起到优化设计的作用.     

变壁厚涡旋膨胀机型线参数的优化分析

为深入研究变壁厚涡旋膨胀机的型线参数,文章以高次曲线组合型线和圆弧组合型线为例,建立了一种新的优化模型-涡旋型线占积比;讨论分析了型线参数对型线面积和占积比的影响;运用单目标遗传算法对占积比取得极值时的2种组合型线参数取值进行了优化,并运用多目标遗传算法讨论了型线面积和占积比同时优化时的非劣解集及对应参数的选取.该文的...     

双涡旋齿涡旋机械渐变壁厚型线的构建

为提高双涡旋齿涡旋机械的综合性能,通过对渐开线类和螺线类涡旋型线生成过程和啮合特性的分析,利用变径圆渐开线和代数螺线分别构建了能够实现正确啮合的渐变壁厚双涡旋齿,并给出其生成方法和型线方程.讨论了涡旋齿壁厚变化规律的影响因素,得到了渐变壁厚单涡旋齿和三涡旋齿.研究结果表明,中心齿头处齿壁较厚的渐变壁厚涡旋齿不但具有面积利用率高和内容积比高等优点,而且其壁厚的变化规律与工作腔内气体压力的变化规律一致,具有较好的热力性能,更适用于双涡旋齿涡旋机械.     

外燃式涡旋发动机理论分析与研究

剖析了一种新型发动机——外燃式涡旋发动机的工作原理与结构特点．当其它几何参数不变时，膨胀机比压缩机需要更高的涡圈或更大的基圆半径．提出涡旋式发动机实用化尚存在的问题．     

双涡旋齿涡旋机械渐变壁厚型线的构建

为提高双涡旋齿涡旋机械的综合性能,通过对渐开线类和螺线类涡旋型线生成过程和啮合特性的分析,利用变径圆渐开线和代数螺线分别构建了能够实现正确啮合的渐变壁厚双涡旋齿,并给出其生成方法和型线方程.讨论了涡旋齿壁厚变化规律的影响因素,得到了渐变壁厚单涡旋齿和三涡旋齿.研究结果表明,中心齿头处齿壁较厚的渐变壁厚涡旋齿不但具有面积利用率高和内容积比高等优点,而且其壁厚的变化规律与工作腔内气体压力的变化规律一致,具有较好的热力性能,更适用于双涡旋齿涡旋机械.     

等β角对称圆弧型线的涡旋压缩机几何模型

针对基于等β角对称圆弧型线的涡旋压缩机建立了通用的几何模型，推导出了修正部分的工作腔容积、吸气孔口面积、泄漏线长度和工作腔换热面积随转角变化的计算公式，并假定修正部分的泄漏线为渐开线，起始展开角为涡旋线的起始展开角．通过解析几何的方法求取排气孔口和轴向力作用面积的各个顶点坐标，并沿其边界积分，从而精确地计算出它们的面积．所建立的通用几何模型可直接用于涡旋压缩机热力和动力模型的计算，为优化设计奠定了基础，运用通用几何模型对一台样机进行热力和动力计算，得到了合理的计算结果．