一种高效高压缩比的涡旋压缩机的利记博彩app

专利名称：一种高效高压缩比的涡旋压缩机的利记博彩app
所属领域本发明涉及一种新型涡旋压缩机，具体属于涡旋压缩机型线形状领域。
背景技术：
涡旋压缩机是一种用于压缩和制冷的精密机械，自1905年由Cruex发现其工作原理以来，受型线加工技术的制约，直到1970’s数控加工技术的进步，商业用途开始大规模出现。自从那时起，应用越来越普遍。很快，人们便认识到涡旋压缩机的内在特性如运动部件少，低噪音，低振动，高效率和高可靠性等优越性，投入了很多研究。如今，涡旋压缩机被广泛用于中小规模的制冷单元中。
涡旋压缩机是以型腔容积变化为工作原理的机械，具有结构紧凑、高效节能、微振低噪、可靠性高等诸多特点，在制冷和空调等领域被广泛应用。但是传统型线的本质特性，使其压缩效率、体积利用系数和应用范围受到限制。涡旋型线的形状对整机的结构尺寸、性能参数有着显著的影响，因此在整机设计中显得尤为重要。目前涡旋型线的优化设计多数是在一些参数修改设计的基础上，简化为单目标优化问题，因而不易获得多性能最优的设计方案。
为了克服上述技术缺陷，现有技术均是在传统型线上进行了局部修改，但在涡旋压缩机开发中遇到的最大问题是涡旋型线的设计，其为压缩机性能的决定因素。为达到更好的性能，过去二十年中，已进行了一些研究工作，但没有一个是从通用曲线类和多目标优化的角度来考虑的。它们的共同劣势在于型线与性能目标之间存在着单一的映射关系，过分依赖于型线方程的具体表达形式，具体的模型对应着具体的型线，造成各种型线的建模过程过于复杂而且各自相异。因而设计柔性比较差，针对性过强，推导得出的结论不具备通用性和普遍性，同时计算效率低下。另外，传统型线的一个主要问题是压缩过程非常缓慢，要获得高压缩比型线需要很多圈，而且结构尺寸庞大且泄漏量急剧加大。至于日本所提出的一种修正型线，利用两段圆弧进行修正，即Perfect Mesh Profile(简称PMP)型线，但由于位于根部的型线段处于高压区，其强度较低。要增加PMP型线的根部厚度，或是使整个涡线壁厚增加，这将增加高速运转的涡盘惯性力及力矩；或是减小脱啮角，这又将使压缩比大大减小。根部厚度的增加带来的好处不仅仅是强度问题，而且可使排气孔尺寸增大，减小阻力损失并提高压缩效率。

发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术存在的上述问题，提供了一种基于多目标遗传算法的涡旋型线形状优化的，高效高压缩比的涡旋压缩机。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的，即一种高效高压缩比的涡旋压缩机，包括相互啮合的静涡盘和动涡盘，其中，两个涡盘形状相同但角相位置相对错开180°；其特征是相互啮合的静涡盘和动涡盘的特征几何中心相距r，6.000mm≤r≤9.000mm，所述静涡盘和动涡盘相互啮合形成三对工作容积腔，第一型腔即排气腔的型线由基圆渐开线构成，第二型腔即压缩腔的型线为圆弧过渡，第三型腔即吸气腔的型线由圆渐开线构成。
上述动静涡盘第一型腔型线由基圆渐开线构成，该基圆渐开线遵循弧长函数曲线方程S(φ)＝1.7φ20≤φ＜10.21
式中 s——型线的弧长φ——型线的切向角上述动静涡盘第二型腔型线由圆弧过渡，该圆弧过渡遵循弧长函数曲线方程S(φ)＝{14.49[cos(φ+1.02)+48.8]}φ 10.21≤φ＜12.76。
上述动静涡盘第三型腔型线由圆渐开线构成，该圆渐开线遵循弧长函数曲线方程S(φ)＝2.445φ212.76≤φ＜18.95。
本发明的工作原理静涡盘和动涡盘两个相对180°相位偏置的相互啮合后不发生自转；一个绕另一个作圆周平动，形成一系列的接触点和月牙形的容腔。制冷剂从涡盘的外缘被吸入容腔，随着运动的进行，啮合点的发生从外向内，压缩腔的体积逐渐变小，制冷剂被逐步压缩。最后，制冷剂从静盘中心附近的排气口排出，完成一个工作循环。


下面结合附图对本发明作进一步说明图1——涡旋压缩机的工作原理图；图中的a图是动涡盘相对于静涡盘在0°相位角的状态，表示吸气开始；b图是动涡盘相对于静涡盘在90°相位角的状态，表示压缩状态的开始；c图是动涡盘相对于静涡盘在180°相位角的状态，表示压缩正在进行；d图是动涡盘相对于静涡盘在270°相位角的状态，表示压缩状态结束，排气开始。
图2——常用的最基本的型线；图3——动静涡盘共轭型线；图4——建立固定在静涡盘中心O的直角坐标系及型线分析计算模型图5——多目标优化构型曲线s1()图6——涡盘构型曲线s2(φ)图7——涡盘构型曲线s3(φ)附图中s——型线的弧长、1——动涡盘、2——静涡盘、3——第一段基圆渐开线、4——第二段圆弧、5——第三段圆渐开线、10——排气腔容积、11——压缩腔容积、12——吸气腔容积、14——型线的切向角φ、15——涡盘的外圆周的最大半径R0。
具体实施例方式
本发明的上述型线方程是根据以下的优化过程得出得。
涡旋型线形状的设计本质上是一个多目标优化问题。与单目标问题不同，多目标问题各个子目标可能是相互冲突的，不存在绝对最优解，可求得一组Pareto最优解集。传统求解方法往往只能求得局部最优解，而应用多目标遗传算法可以得到全局最优解。
针对涡旋型线设计及优化存在的问题，提出了基于Whewell方程形式的通用曲线类型线数表征形式，建立了多目标形状优化设计的数学模型，应用了基于共享小生境技术的非劣优选遗传算法，给出了涡旋型线形状的多目标优化设计实例分析。
非劣优选遗传算法是一种基于共享小生境技术，求解Pareto最优解集的遗传算法，不受问题性质(线性、连续性、可微性、多峰性等)的限制，其具有高度的群体并行搜索、自适应的特性，能够搜索出问题的全局最优解，尤其是与Pareto最优前沿的形态无关。
非劣优选遗传算法是一种基于共享小生境技术，求解Pareto最优解集的遗传算法，不受问题性质(线性、连续性、可微性、多峰性等)的限制，其具有高度的群体并行搜索、自适应的特性，能够搜索出问题的全局最优解，尤其是与Pareto最优前沿的形态无关。
同一Pareto前沿上的两个个体i，j之间的共享函数[4，5]可表示为Sh(dij)=1-(dijσshare)αdij<σshare0dij≥σshare---(1)]]>式中Sh——个体之间的共享函数dij——同一前沿上个体i，j之间的表现型距离σshare——niche半径，表征小生境范围的参数α——指系数，通常设为2通过共享函数处理，可以排除共享度较大而适应度较低的不良个体，保留精英个体，从而引导在不同的trade-offs面上向Pareto最优前沿移动，更快的收敛到全局Pareto最优解。
在表现型空间，通过个体之间的相似程度的共享函数来调整种群中各个个体的适应度，从而在种群的进化过程中，算法能够依据这个调整后的新适应度来进行选择操作，将种群划分为不同的子种群，创造出小生境的进化环境。经过共享函数处理后，个体的适应度可表示为F′(i)=F(i)Σj∈pSh(dij)(i,j∈p)---(2)]]>式中F′(i)——共享后的虚拟适应度F(i)——共享前的虚拟适应度P——种群规模在选择操作被执行前，要连续完成两个过程。在执行选择前，基于个体不同类别上的层，种群在按个体的非劣性被分类进行排序，所有的非劣个体被分成一个具有相同虚拟适应度值的类，此虚拟适应度与种群的规模成比例，以提供潜在的复制比例。为了保持种群的多样性，然后应用共享函数思想来分配每个个体的适应度。所有分类后的非劣个体通过虚拟适应度进行共享。忽略此组的非劣个体，考虑另一个层面上的非劣个体。重复此过程，直到种群中的个体全部被划分完毕。由于第一最优前沿的个体具有最大的适应度，他们比种群中其他部分获得更多的复制机会，使得搜索方向指向Pareto最优区域。
涡旋型线的几何形状是影响压缩机性能的根本因素之一。从微分几何的观点来看，由曲线论的基本定理[11]可知，曲线的本质特性在于平面曲线除了平面的位置(标架)以外，是完全决定于它的自然方程，即曲线是由它的曲率和挠率唯一决定的，与坐标系的选择无关。Furthermore，利用Whewell方程，涡旋型线的统一数学模型可以用切向角的多项式、分段多项式和有限三角多项式来表征。
平面正则曲线可表示为 上式中，如果曲率半径p取切向角的多项式、分段多项式和有限三角多项式来表示，则弧长s可积，也即具有封闭的表达。显然，暂不考虑正四边形和线段形成的渐开线，因为它们构成的型线是非正则的。
从而常用的最基本的型线一圆渐开线可如下表示，如图2示
s()＝c2(+a2)2(5)因此，涡旋型线通用曲线类的统一模型可表示为幂级数和有限三角多项式的混合形式 (j∈N，ci，ai，pi，qi，ui，vi∈R)上式中，当pi和qi同时全为0时，s()表示的为圆渐开线簇；当ci、pi和qi全不或不全为0时，s()表示的为代数螺线簇；当j＝1，c0≠0时，s()表示的为圆弧簇。
确定了静涡盘的型线，可求作此曲线作圆运动的包络线。此包络线就是动涡盘的型线，与静涡盘的型线共轭。两型线的共轭啮合点主要满足关系当任意一对共轭点接触时，两涡盘的中心距离为一常量，即圆平动半径，如图3示r＝O1O2＝(p(+2π)-p()-2t)/2(7)这两条共轭曲线及啮合点围成了一个封闭的区域，形成压缩腔。考虑到绝大多数涡旋压缩机直壁等高的特性，则在等壁厚的条件下，压缩腔的容积可如下表示V()＝(π·r2+r(sx(+2π)-sx()))·h (8)从上图中可以看出，构成一个完整的压缩腔，渐开角必须满足＞2π。从上式中可以看出，在运动半径一定的情况下，压缩腔的容积与弧长的表征形式有关，也即由具体的型线类型决定的。
当压缩机连续正常工作时，至少具有三对压缩腔。当最外的吸气腔完成吸气时，最内的排气腔正好与排气孔连通开始排气，因此型线的构成至少为三圈。则行程容积比为γ=V(6π)V(2π)---(9)]]>再引入一个重要的性能指标—标准化行程容积比，它直接反映了涡旋压缩机尺寸结构的大小。其定义为Vnorm=V(6π)π·R02---(10)]]>涡旋型线是由几何共轭曲线构成的，对涡旋型线进行形状优化，对其几何特性进行了分析。在分析并集成已有的平面曲线类型基础上，提出基于Whewell方程的通用曲线类。相比传统的表征方式，易于优化和扩展构成型线的新形式。由通用曲线类函数模型的解析特性，将形状优化问题转化为几何参数优化问题，对表征曲线函数的控制系数在某些法则的约束下进行优化。
建立固定在静涡盘中心O的如图4示的直角坐标系及型线分析计算模型。
基于Whewell方程曲线弧长与切向角的关系，圆的任意次渐开曲线表征形式为 式中s——型线的弧长φ——型线的切向角ai——型线的控制参数动静盘内外壁型线以及啮合点封闭的区域，构成压缩机。压缩腔的容积为V()＝2V3()＝2{πr2+r[s(+2π)-s()]}h(12)
式中V——压缩腔的容积V3——单个压缩腔的容积r——动盘绕静盘作圆平动的半径h——涡盘的壁高引入表征涡旋压缩机尺寸结构大小和紧凑程度的性能指标——体积利用系数，定义为 式中γ——单位体积上的有效容积R0——涡盘的外圆周的最大半径影响压缩机结构性能的指标很多，尤其是被用于轿车等空间有限的地方，此时最重要的评价指标为行程容积比、体积利用系数等。根据型线的评判标准，设计构造一种涡旋型线，使得压缩机容积效率高和体积小。压缩机工作的连续性条件得知，必须具有至少三对工作容积腔(排气腔、压缩腔、吸气腔)。任意等壁厚的涡盘可以由三圈的组合型线变壁厚涡盘来代替，以减少泄漏量，提高效率。分段型线构造最内圈(0，φ1)以基圆渐开线构成，最外圈(φ2，6π)也以圆渐开线构成，以保证较大的压缩比，中间段(φ1，φ2)以圆弧、加速螺线或高次曲线进行过渡，以减少泄漏线的长度。在连接点φ1，φ2处，满足构型曲线连续性和光滑性条件，则弧长函数曲线类可表征为 式中f——曲线函数中圈函数f的选型决定型线中间段的形状，不会影响压缩机的性能，其与下面优化的目标无关，只会影响第二压缩腔的构成和容积。
连接点m(2≤m＜4)，n(m＜n≤4)的取值也不会影响型线的性能，只会对型线中间段形状的起始位置即第二压缩腔的构成情况产生影响，故只会影响第二压缩腔的容积和压缩过程发生的快慢。
通过型线对性能的影响和型线的解析构成形式分析，确定设计变量为X＝[r，a1，a2]T(12)主要设计目标符合工程界的评判标准，压缩比最大，即行程容积比最大作为目标函数之一maxf1(X)=λ(X)=V(4π)V(0)---(13)]]>体积利用率最高，即体积利用系数最大作为目标函数之二maxf2(X)=γ(X)=V(4π)πR02h---(14)]]>在分析同类机型现有结构尺寸的基础上，估计最优解出现的范围，使边界约束的中心尽量靠近最优解，建立边界约束条件为ximin≤xi≤ximaxi＝1，2，3(15)分段的连接点限制范围为2π≤φ1＜φ2≤4π (16)考虑涡盘的刚度与强度，以及密封性的要求，壁厚限定在约束范围内 对上述公式得具体优化求解实施方案
采用编制的非劣优选遗传算法的程序，进行优化求解。取种群规模为100，每个染色体长度为32位(二进制)，交叉算子为0.7，变异算子为0.001，终止进化代数为1 000代，数据结果显示已达到全局收敛且收敛性良好。通过求解得到全局Pareto非劣解集，取部分数据列表如表1所示。
表1全局Pareto非劣解集

从上表中任取一种来分析，不妨选取第3组数据，在满足共轭特性的条件下，则经过多目标优化的构型曲线为s1()，如图5所示。

由内外壁圆弧型线满足关系R1-R2＝r，可完全确定外壁型线。
现与其它两种型号的涡旋压缩机性能进行对比，参数分别为壁高为20mm，动静盘偏置8.67mm，涡盘构型曲线分别为s2(φ)，s3(φ)，其中s3(φ)经过常规方法优化，如图6、7所示。
s2()＝2.4452
(19)s3()＝1.5482
(20)从表2可以看出，所采用的研究方法优化得出的分段涡旋型线s1()，相比型线s2(φ)和s3(φ)而言，所考查的性能目标均有显著的提高，验证了方法的有效性。
表2性能对比表

有益效果在上述涡旋型线的形状优化设计中，由于提出了基于多性能因素的Whewell方程形式的型线表征形式，应用了基于共享小生境技术的非劣优选遗传算法，因而成功地求解多目标优化问题的Pareto最优解集合。
从表2的性能对比不难得出，本发明优化得出的一组能满足多性能较优要求、形状性态良好的涡旋型线，此涡旋压缩机与其它算法设计或传统的压缩机相比，它的构成型线是从通用曲线类和多目标优化的角度来考虑的，涡旋型线是通过采用分段连接简单曲线的方法来表达相对复杂的型线，以发挥不同型线的优势，构成组合型线来满足单一型线不能达到的技术指标，从而提高了效率或压缩比，增强了位于根部的型线段强度，体积利用系数也变大，并为其它设计高效率和全性能要求的以型腔容积变化为工作原理的机械，奠定了工业应用基础，拓宽了设计的思路。
权利要求
1.一种高效高压缩比的涡旋压缩机，包括相互啮合的静涡盘和动涡盘，其中，两个涡盘形状相同但角相位置相对错开180°；其特征是相互啮合的静涡盘和动涡盘的特征几何中心相距r，其中，6.000mm≤r≤9.000mm，所述静涡盘和动涡盘相互啮合形成三对工作容积腔，第一型腔即排气腔的型线由基圆渐开线构成，第二型腔即压缩腔的型线为圆弧过渡，第三型腔即吸气腔的型线由圆渐开线构成。
2.根据权利要求1所述的高效高压缩比的涡旋压缩机，其特征在于动静涡盘第一型腔型线由基圆渐开线构成，该基圆渐开线遵循弧长函数曲线方程S()＝1.72(18.1)式中0≤＜10.21s——型线的弧长——型线的切向角。
3.根据权利要求1所述的高效高压缩比的涡旋压缩机，其特征在于动静涡盘第二型腔型线由圆弧过渡，该圆弧过渡遵循弧长函数曲线方程S()＝{14.49[cos(+1.02)+48.8]}(18.2)其中10.21≤＜12.76。
4.根据权利要求1所述的高效高压缩比的涡旋压缩机，其特征在于动静涡盘第三型腔型线由圆渐开线构成，该圆渐开线遵循弧长函数曲线方程S()＝2.4452(18.3)其中12.76≤＜18.95。
全文摘要
本发明涉及的高效高压缩比的涡旋压缩机，包括相互啮合的静涡盘和动涡盘，其中，两个涡盘形状相同但角相位置相对错开180°；其特征是相互啮合的静涡盘和动涡盘的特征几何中心相距r，其中，6.000mm≤r≤9.000mm，所述静涡盘和动涡盘相互啮合形成三对工作容积腔，第一型腔即排气腔的型线由基圆渐开线构成，第二型腔即压缩腔的型线为圆弧过渡，第三型腔即吸气腔的型线由圆渐开线构成。所述型线遵循
文档编号F04C18/02GK1743674SQ20051005730
公开日2006年3月8日 申请日期2005年9月29日 优先权日2005年9月29日
发明者陈进, 李世六, 张永栋, 王立存, 何景熙 申请人:重庆大学