一种变截面双动盘涡旋空压机及其优化方法

本发明涉及燃料电池系统用空气压缩机，特别是一种变截面双动盘涡旋空压机及其优化方法。

背景技术：

1、涡旋空压机因效率高、噪声低、振动小、体积小等优点而被广泛应用于工业领域，通过其动涡旋齿和静涡旋齿相互啮合形成数对周期性变化的月牙形工作腔，随着曲轴的不断旋转，完成气体吸入、压缩和排出的工作过程，涡旋盘的型线设计和优化是影响涡旋压缩机性能的根本因素。目前涡旋型线的设计是基于选取特定的几何轮廓曲线，并作为单目标优化问题来考虑的，受型线数学特性的限制，只能优化特定型线的结构尺寸参数，无法满足多参数优化下目标性能达到较优水平。

2、当涡旋空压机的压缩比与流量要求较高时，等截面涡旋齿型线所需的涡旋齿圈数较多，会导致整机尺寸和泄漏线长度的增加，从而加剧气体泄漏，因此如何设计出较少的涡旋齿圈数实现性能的提升成为了当前研究的热点。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种变截面双动盘涡旋空压机及其优化方法，采用变截面双动盘结构提升了空压机的流量、压比，并改善高转速下的摩擦力、温度、噪音等对空压机性能的消极影响，同时通过多目标遗传算法nsga-ii对变截面涡旋齿进行优化设计，获取最优的型线参数匹配方案，能够兼顾流量、压缩比的前提下有效减小涡旋盘的结构尺寸。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种变截面双动盘涡旋空压机，包括第一动涡旋盘、第二动涡旋盘、第一静涡旋盘以及第二静涡旋盘，第一动涡旋盘、第二动涡旋盘、第一静涡旋盘以及第二静涡旋盘的涡旋齿均为变截面涡旋齿结构，第一动涡旋盘、第二动涡旋盘、第一静涡旋盘以及第二静涡旋盘布置于机架的两侧，通过空压机中心的电机驱动两侧的第一动涡旋盘和第二动涡旋盘做平面运动；

3、所述涡旋空压机的第一静涡旋盘与第二静涡旋盘以涡旋齿朝向空压机中心的形式布置于机架的两侧，第一动涡旋盘和第二动涡旋盘分别与第一静涡旋盘和第二静涡旋盘成180°相对安装；

4、第一动涡旋盘、第二动涡旋盘、第一静涡旋盘以及第二静涡旋盘的涡旋齿型线均采用变径基圆渐开线与双圆弧曲线组成；

5、所述第一静涡旋盘与第二静涡旋盘的涡旋齿相反面开设有水冷流道，第一动涡旋盘与第二动涡旋盘的涡旋齿相反面设置有防自转机构，所述防自转机构采用周向均匀分布的偏心小轴装置。

6、在一较佳的实施例中：所述第一动涡旋盘和第二动涡旋盘在偏心主轴带动下做平面运动，所述偏心主轴通过布置于空压机中心的电机驱动旋转。

7、在一较佳的实施例中：所述偏心主轴上布置有平衡块，其位于动涡旋盘轴承与机架轴承之间。

8、在一较佳的实施例中：所述涡旋静盘背面设置有等宽截面冷却流道，所述冷却流道盖板设置有水滴形状的分流器，水滴分流器与冷却流道区域相互贴合，冷却液通过冷却流道和水滴分流器对涡旋静盘及排气口冷却。

9、本发明还提供了一种变截面双动盘涡旋空压机的优化方法，包括以下步骤：

10、1)按以下方程生成涡旋动、静盘型线母线；

11、

12、

13、

14、为保持曲线在连接点处于一阶连续，需满足以下要求，

15、

16、

17、

18、其中，ω为渐开线展开角，ω1、ω2、ω3为第一、二、三段渐开线最大展角，rb1为第一段和第三段圆渐开线基圆半径；rb2为第二段圆渐开线基圆半径，且rb2>rb1；

19、2)依据所述建立出的母线a’e’f’利用法向等距线法向两侧等距ror/2距离以得到所述动盘内壁型线、静盘外壁型线；把所述静盘外壁型线绕基圆中心旋转180°，生成所述动盘外壁啮合曲线，其中生成出少π/2曲线不参与涡旋齿啮合，可选用圆弧曲线fh进行修正；

20、3)采用双圆弧修正曲线对涡旋齿头进行修正，其中为修正展角，γ为修正角，rx为修正大圆弧半径、rx为修正小圆弧半径，涡旋齿尾部分可对参数点hz进行直线连接，生成完整的涡旋齿型线轮廓。

21、在一较佳的实施例中：所述优化方法采用基于非支配排序的多目标遗传算法nsga-ii对变截面涡旋齿参数进行优化，随机初始化种群中输入参数，更新输入的偏心距、齿厚、基圆半径等参数，根据种群中每个个体计算得到的目标函数适应度，对比各适应度得到最优的pareto前沿解集。

22、在一较佳的实施例中：所述优化方法中空压机流量为

23、qs＝a3nh

24、其中，n为转速，h为齿高，a3为吸气腔底部面积，可表示为

25、

26、其中ror为偏心距，l3为圆渐开线ⅲ长度，rb1为圆渐开线ⅰ基圆半径，α为渐开线发生角，x3、y3为基圆渐开线ⅲ型线方程。

27、在一较佳的实施例中：所述优化方法中空压机压比为

28、

29、其中，v3为吸气腔容积，vd2为排气腔容积，k为气体等熵指数。

30、在一较佳的实施例中：所述优化方法中涡旋盘直径为

31、

32、其中，ω1为第一段圆渐开线展角，rb2为第二段圆渐开线基圆半径，ω2为第二段圆渐开线展角，ω3为第三段圆渐开线展角。

33、在一较佳的实施例中：所述优化方法中目标函数为(f1,f2,f3)＝(-qs,ε,d)，采用多目标遗传算法对变截面涡旋齿渐开线发生角α、第一段圆渐开线基圆半径rb1与展角ω1寻优，经过多次迭代计算后输出pareto解集，选择在满足流量、压比指标前提下外接圆直径最小的解作为最优解，实现对变截面涡旋齿的优化设计。

34、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

35、本技术中提供的一种变截面双动盘涡旋空压机，相较传统的单动盘涡旋空压机结构，采用电机中置、双动涡旋盘两侧布置结构可大幅提升空压机的流量，由于采用双盘布置结构，吸气腔个数相比单盘结构增加一倍，因此采用一个电机带动两侧涡旋动盘进行运转，在相同转速下，双涡旋盘结构能产生更大的气体流量；同时，相比于两个电机带动两个涡旋盘的结构本发明能使成本更低的情况下实现尺寸、体积更小，能够满足燃料电池系统对涡旋空压机的性能及尺寸要求。

36、本技术中提供的一种变截面双动盘涡旋空压机，在涡旋静盘背面设置有等宽截面冷却流道，所述冷却流道盖板设置有水滴形状的分流器，在冷却能力不变的情况下，相对一体式冷却结构，分体的冷却流道结构更便于制造，可减小加工周期及成本；水滴分流器与冷却流道区域相互贴合，冷却液通过冷却流道和水滴分流器对涡旋静盘及排气口冷却，在相同的进气压力及环境温度下，空压机排气温度相对较低，可大幅降低密封件老化、涡旋齿头变形程度，提高空压机压缩性能及寿命。

37、本发明提供了一种变截面双动盘涡旋空压机的优化设计方法，解决涡旋空压机性能匹配多目标最优化问题，该方法使用多目标遗传算法，通过适应度计算，选择，交叉，变异，再多次迭代后，算法能逐步收敛于最优解，此方法的优势是能兼顾涡旋空压机流量、压缩比、外接圆直径三个性能参数，对这三个目标可以一起优化，并输出最优的渐开线发生角α、第一段圆渐开线基圆半径rb1与展角ω1基本参数组合；避免了人工难以预先分配这3者权重，以及无法动态调整权重的问题。