雙螺桿壓縮機(jī)大內(nèi)容積比錐形轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)與性能研究

             

雙螺桿壓縮機(jī)大內(nèi)容積比錐形轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)與性能研究

  任純吉1,趙 鑫1,王 君*1,武 萌1,王增麗1,耿茂飛2

             (1.中國石油大學(xué)(華東)新能源學(xué)院,山東青島266580;

      2.壓縮機(jī)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥通用機(jī)械研究院有限公司,安徽合肥230031)

[摘 要]:內(nèi)容積比是雙螺桿壓縮機(jī)的重要性能指標(biāo),為了最大限度地提高其內(nèi)容積比,設(shè)計(jì)了交叉軸錐形螺桿轉(zhuǎn)子,實(shí)現(xiàn)了雙螺桿壓縮機(jī)內(nèi)容積比較大程度的提高。從容積變化和泄漏通道長度方面分析了雙螺桿壓縮機(jī)錐形螺桿轉(zhuǎn)子的工作性能,并與傳統(tǒng)等徑螺桿轉(zhuǎn)子進(jìn)行對比。結(jié)果表明:在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸夾角為10°~20°時,內(nèi)容積比的提高幅度可達(dá)24.6% ~47.5%。錐形螺桿轉(zhuǎn)子對端面泄漏有較大的改善,力學(xué)性能方面有顯著優(yōu)點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]:雙螺桿壓縮機(jī);錐形轉(zhuǎn)子;內(nèi)容積比;性能分析

中圖分類號:TH45  文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1006-2971(2022)02-0015-06

1 引言

  雙螺桿壓縮機(jī)是一種容積式壓縮機(jī),具有內(nèi)壓縮的特點(diǎn),因其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于冶金、化工、食品、制藥等行業(yè),近年來受到越來越多的關(guān)注[1~2]。內(nèi)容積比是衡量螺桿壓縮機(jī)工作性能的重要參數(shù),雙螺桿壓縮機(jī)的增壓部件是一對相互嚙合的陰陽螺桿轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子型線和螺桿的幾何特性直接影響雙螺桿壓縮機(jī)的工作性能,因此改進(jìn)螺桿轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)對提升雙螺桿壓縮機(jī)的壓縮性能及改善泄漏具有重要意義。

邢子文,等[3~5]在雙螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子型線方面做了大量的工作,提出了計(jì)算轉(zhuǎn)子接觸線長度的方法,并研發(fā)了螺桿轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)軟件。文獻(xiàn)[6~7]提出的變螺距螺旋線的雙螺桿壓縮機(jī),提高了螺桿壓縮機(jī)的內(nèi)容積比,增大了壓縮比。文獻(xiàn)[8]通過研究雙螺桿壓縮的機(jī)的整個工作過程,得出螺桿轉(zhuǎn)子葉尖間隙和排氣端面的間隙的泄漏量對壓縮機(jī)的性能有重要影響。文獻(xiàn)[9] 提出的新型交叉軸雙螺桿膨脹機(jī)減小了螺桿轉(zhuǎn)子工作時的軸向力,適用于大膨脹比工況。雙螺桿壓縮機(jī)的內(nèi)容積比一般為1.5、2.5、3.5和4.5四個系列[10],不能充分發(fā)揮雙螺桿壓縮機(jī)的優(yōu)勢,提高內(nèi)容積比可使雙螺桿壓縮機(jī)更高效地運(yùn)行,但也會造成排氣端面的泄漏量增加。

針對現(xiàn)有雙螺桿壓縮機(jī)內(nèi)容積比小和排氣端面存在泄漏的問題,本文提出一種雙螺桿壓縮機(jī)錐形轉(zhuǎn)子,構(gòu)建了其三維模型,通過理論分析了其工作性能。與現(xiàn)有等徑螺桿轉(zhuǎn)子相比,錐形螺桿轉(zhuǎn)子工作性能顯著提高,對提高雙螺桿壓縮機(jī)工作效率具有重要意義。

雙螺桿壓縮機(jī)大內(nèi)容積比錐形轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)與性能研究的圖1

雙螺桿壓縮機(jī)大內(nèi)容積比錐形轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)與性能研究的圖2

2 截面型線的幾何理論

2.1 球面截面型線

構(gòu)建4個坐標(biāo)系,如圖1所示,陰螺桿截面型線固定于動坐標(biāo)系O1x1y1和靜坐標(biāo)系Oxy,陽螺桿截面型線固定于動坐標(biāo)系O2x2y2和靜坐標(biāo)系Opxpyp。

根據(jù)平面坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換和運(yùn)動學(xué)法可求解出已知曲線在另一坐標(biāo)系內(nèi)的共軛曲線。

如圖2所示,將陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子平面上的截面型線直接進(jìn)行偏轉(zhuǎn),兩平面截面型線上除節(jié)圓部分之外的齒廓曲線不能實(shí)現(xiàn)嚙合,因?yàn)榍€上的點(diǎn)的矢徑不同,偏轉(zhuǎn)后兩型線在嚙合點(diǎn)的軸向位置也不同,在旋轉(zhuǎn)過程中不能保證接觸,因而不能繼續(xù)保證嚙合。

為了使一對錐形陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)嚙合,需要保證兩螺桿型線存在嚙合線。若將兩型線轉(zhuǎn)換至同一曲面上,那么兩型線的嚙合線也處于此曲面上。將平面上的曲線轉(zhuǎn)換為球面曲線,可使螺桿轉(zhuǎn)子型線均處于型線節(jié)圓所在的公球面上。要實(shí)現(xiàn)此轉(zhuǎn)換,首先需要將螺桿轉(zhuǎn)子型線的平面包絡(luò)線轉(zhuǎn)化到球面上,之后在球面上實(shí)現(xiàn)逆向求解,得到在球面上能夠保證準(zhǔn)確度的近似曲線。

2.1.1 包絡(luò)線向球面曲面的轉(zhuǎn)化

在由平行軸等徑嚙合向錐形嚙合的轉(zhuǎn)化過程中,陰、陽螺桿型線的節(jié)圓依舊保持嚙合,因此轉(zhuǎn)化的目標(biāo)球面半徑可由陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子節(jié)圓半徑以及兩旋轉(zhuǎn)軸的夾角確定

雙螺桿壓縮機(jī)大內(nèi)容積比錐形轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)與性能研究的圖3



雙螺桿壓縮機(jī)大內(nèi)容積比錐形轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)與性能研究的圖4

如圖3所示,圓弧cq表示投影的球面,其中心為O,球面半徑為Rq。球心O同時也是陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子在工作過程中旋轉(zhuǎn)軸線的交點(diǎn),命名為定位球心。圓弧cf和圓弧cm分別表示陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子截面型線上的節(jié)圓,在轉(zhuǎn)化后圓弧cf和圓弧cm處于球面上,它們的中心點(diǎn)分別是O1和O2。圓弧cf和圓弧cm 處在球面上相切于點(diǎn)I1,即陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子的齒頂面和齒底面在距離定位圓心O為L處位置處切于點(diǎn)I1處。

線段CS表示輪廓線在平面xOz上的投影,點(diǎn)P,I1,I2,O1,P2都在線段CS上。I1I2表示節(jié)圓在平面xOz上的投影,P點(diǎn)代表輪廓上的工作點(diǎn),因?yàn)榍蛎姘霃胶颓€上點(diǎn)的方位角均已知,要確定點(diǎn)P轉(zhuǎn)換到球面上的位置,只需要確定在球面上點(diǎn)P的天頂角。做輔助圓弧csup,圓弧的圓心位于兩節(jié)圓的嚙合點(diǎn)I1。P2 點(diǎn)代表輪廓線繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)180°后P的位置,Pc表示P轉(zhuǎn)換到球面上的位置,由幾何關(guān)系得出下式

雙螺桿壓縮機(jī)大內(nèi)容積比錐形轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)與性能研究的圖5

其中x(t)和y(t)分別表示點(diǎn)P的x坐標(biāo)和y坐標(biāo),ρ(t) 是坐標(biāo)系Oxyz中點(diǎn)P的矢量直徑,ψ(t)是點(diǎn)P投影到球面上的位置P2的天頂角。

使用相同的方法,可以求解球面上的包絡(luò)線上各個點(diǎn)的位置,進(jìn)而得到包絡(luò)線表達(dá)式

雙螺桿壓縮機(jī)大內(nèi)容積比錐形轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)與性能研究的圖6

2.1.2 求解球面型線的組合曲線

如圖4所示,建立四個空間坐標(biāo)系,xOz和xpOpzp平面之間的法向矢量角為θ。

從坐標(biāo)系的相對位置,可得坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣

雙螺桿壓縮機(jī)大內(nèi)容積比錐形轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)與性能研究的圖7

其中,MP0表示靜坐標(biāo)系Oxyz向靜坐標(biāo)系Opxpypzp的轉(zhuǎn)換矩陣;MP1表示動坐標(biāo)系O1x1y1z1向靜坐標(biāo)系Opxpypzp的轉(zhuǎn)換矩陣;M02表示動坐標(biāo)系O2x2y2z2向靜坐標(biāo)系Oxyz的轉(zhuǎn)換矩陣。

陰螺桿球截面型線的曲線qr1可以表示為

qr1(t)=M20·r(t)=r(t,φ1(t)) (7)

陽螺桿球截面型線的曲線qr2可以表示為

qr2(t)=M1p·Mp0·r(t)=r(t,φ1(t)) (8)

本方法省去球面型線的重新設(shè)計(jì)過程,利用現(xiàn)有型線直接向球面轉(zhuǎn)換,得到錐形嚙合的螺桿轉(zhuǎn)子,用以調(diào)節(jié)工作腔容積的變化規(guī)律。

雙螺桿壓縮機(jī)大內(nèi)容積比錐形轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)與性能研究的圖8

雙螺桿壓縮機(jī)大內(nèi)容積比錐形轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)與性能研究的圖9

2.2 錐形螺桿轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)

根據(jù)平面曲線的嚙合理論,求解單邊不對稱—銷齒圓弧型螺桿轉(zhuǎn)子的平面嚙合線,并將其轉(zhuǎn)化到球面上,反向求解得到了轉(zhuǎn)子的球面截面型線。

如圖5所示,在半徑不同的同心球面上,分別在陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸上的不同軸向位置繪制多組球截面型線。從出口端到進(jìn)口端,球截面型線的幾何參數(shù)線性增大,并人為地控制陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子球截面型線的旋轉(zhuǎn)角,以實(shí)現(xiàn)螺桿轉(zhuǎn)子的螺旋展開過程。在Solidworks軟件中對所得到的球截面型線簇進(jìn)行放樣操作,得到了錐形螺桿轉(zhuǎn)子的幾何模型。

雙螺桿壓縮機(jī)大內(nèi)容積比錐形轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)與性能研究的圖10

3 錐形螺桿轉(zhuǎn)子的工作性能

  雙螺桿壓縮機(jī)的工作過程包括吸氣、壓縮和排氣過程。隨著陽螺桿的轉(zhuǎn)動,基元容積與進(jìn)氣口相連,開始吸氣過程;介質(zhì)進(jìn)入陰、陽轉(zhuǎn)子齒間與殼體內(nèi)壁形成的封閉容積,基元容積達(dá)到最大時吸氣過程結(jié)束;隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),基元容積不斷縮小,開始壓縮過程;壓縮后氣體從排氣口排出,一直延續(xù)到該容積最小時為止。由于螺桿轉(zhuǎn)子軸對稱結(jié)構(gòu),不同基元容積始終以相同的規(guī)律重復(fù)以上過程,壓縮機(jī)能夠連續(xù)穩(wěn)定的工作。

在壓縮機(jī)螺桿轉(zhuǎn)子進(jìn)氣體積接近的設(shè)計(jì)前提下,分別構(gòu)建了陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸夾角θ分別為10°、15°、20°的錐形螺桿轉(zhuǎn)子,幾組螺桿轉(zhuǎn)子的截面型線是同一類型,型線參數(shù)從排氣端面至進(jìn)氣端面線性增大,且不同螺桿的增大速率相同。

雙螺桿壓縮機(jī)大內(nèi)容積比錐形轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)與性能研究的圖11

3.1 排氣口面積

排氣口的設(shè)計(jì)對雙螺桿壓縮機(jī)的工作性能有重要影響。錐形雙螺桿壓縮機(jī)機(jī)殼的排氣端面與螺桿排氣端面均為球面,排氣口形狀由陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子圖5 錐形螺桿造型放樣過程截面型線和嚙合線確定,如圖6所示為錐形螺桿壓縮機(jī)的排氣口形狀。

定義陰陽螺桿轉(zhuǎn)子型線中兩圓弧段相嚙合時陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為0°,排氣開始時刻的陽螺桿轉(zhuǎn)動角度命名為“排氣初始角”。

如圖7所示,為排氣初始角為130°時不同螺桿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸夾角的排氣面積變化規(guī)律。隨著螺桿轉(zhuǎn)子間夾角的增大,螺桿壓縮機(jī)的排氣面積減小,造成這種現(xiàn)象的原因是:在設(shè)計(jì)錐形螺桿時,錐形螺桿轉(zhuǎn)子的排氣端面尺寸小于等徑螺桿轉(zhuǎn)子,且隨著螺桿轉(zhuǎn)子間旋轉(zhuǎn)軸夾角的增大,排氣端面的幾何尺寸減小,因此導(dǎo)致了排氣面積的減小。

3.2 基元容積變化

如圖8所示,為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸夾角θ分別等于0°、10°、15°和20°時,4對螺桿轉(zhuǎn)子基元容積隨著陽螺桿轉(zhuǎn)子η的旋轉(zhuǎn)角度的變化規(guī)律。

錐形轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的容積變化曲線在排氣口打開之前斜率更大,說明在壓縮過程中,錐形螺桿轉(zhuǎn)子的工作體積壓縮更快。這是由于錐形螺桿所構(gòu)成的封閉容積尺寸在軸向上的減小速度要大于傳統(tǒng)平行軸螺桿轉(zhuǎn)子。錐形螺桿轉(zhuǎn)子的最小排氣容積小于平行軸螺桿轉(zhuǎn)子的排氣容積,旋轉(zhuǎn)軸夾角越大,排氣容積越小。

如圖9所示,為旋轉(zhuǎn)軸夾角為15°時螺桿壓縮機(jī)的排氣體積隨排氣初始角的變化。隨著排氣初始角的增大,排氣容積近似線性增大,由此可通過增大排氣初始角的方法保障壓縮機(jī)的排氣量。

雙螺桿壓縮機(jī)大內(nèi)容積比錐形轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)與性能研究的圖12

3.3 內(nèi)容積比

內(nèi)容積比是衡量雙螺桿壓縮機(jī)性能的重要指標(biāo)。如圖10所示為螺桿壓縮機(jī)內(nèi)容積比隨陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸夾角的變化,旋轉(zhuǎn)軸夾角越大,內(nèi)容積比越大,這種顯著的提升效果是因?yàn)殄F形螺桿結(jié)構(gòu)使壓縮機(jī)的排氣體積減小。進(jìn)氣體積相同,在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸夾角為10~20°時,內(nèi)容積比的提高幅度可達(dá)246% ~475%。內(nèi)容積比的提高同時會提高壓縮機(jī)的內(nèi)壓縮比,進(jìn)而提高壓縮機(jī)的性能。

3.4 泄漏線長度

內(nèi)部泄漏對雙螺桿壓縮機(jī)的性能有重要影響,在工作過程中,壓縮機(jī)內(nèi)部的泄漏通道主要包括轉(zhuǎn)子間泄漏通道、轉(zhuǎn)子與殼體內(nèi)壁之間的泄漏通道和泄漏三角形。本文所研究的螺桿轉(zhuǎn)子基于單邊不對稱—銷齒圓弧截面型線,泄漏三角形面積小,因此忽略了泄漏三角形的計(jì)算。泄漏通道的長度可以通過接觸線的長度來測量。

如圖11所示,錐形螺桿轉(zhuǎn)子的泄漏通道長度從進(jìn)口到出口的逐漸減小,相比于等徑螺桿轉(zhuǎn)子,錐形螺桿靠近排氣口的接觸線變短,靠近進(jìn)氣口的接觸線變長。

雙螺桿壓縮機(jī)大內(nèi)容積比錐形轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)與性能研究的圖13

如圖12所示,為4對螺桿轉(zhuǎn)子的齒間泄漏線長度和齒頂泄漏線長度隨陽螺桿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的變化曲線。從圖中可以看出,當(dāng)陽螺桿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角小于135°時,錐形螺桿轉(zhuǎn)子的泄漏通道長度小于等徑螺桿轉(zhuǎn)子的泄漏通道長度。旋轉(zhuǎn)軸夾角θ越大,泄漏通道長度越短,泄漏面積越小。這是因?yàn)榻嵌圈鹊脑龃髮?dǎo)致螺桿轉(zhuǎn)子靠近進(jìn)氣口的部分尺寸減小,并因此形成較短的泄漏通道長度。由于壓縮機(jī)的進(jìn)、排氣口設(shè)置位置問題,工作過程中存在經(jīng)由轉(zhuǎn)子間泄漏通道從進(jìn)氣口向排氣口的直接泄漏,在靠近排氣口位置減小接觸線長度可以有效減少此泄漏量。

當(dāng)陽螺桿轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角大于135°時,錐形螺桿轉(zhuǎn)子的泄漏通道長度大于等徑螺桿轉(zhuǎn)子的泄漏通道長度。這是因?yàn)椋拷艢饪诘腻F形螺桿轉(zhuǎn)子的尺寸小于等徑螺桿轉(zhuǎn)子的尺寸。在靠近吸氣口的位置,介質(zhì)與接觸線另一側(cè)工作腔的壓力差減小,因此泄漏線長度的增加所造成的影響減小。與等徑螺桿轉(zhuǎn)子相比,錐形螺桿轉(zhuǎn)子的內(nèi)部密封有了一定的改善,并且由于其錐形的結(jié)構(gòu),便于調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)子和殼體之間的周向間隙。

4 結(jié)論

  本文基于平面嚙合理論和漸變截面型線,提出了一種錐形雙螺桿轉(zhuǎn)子的構(gòu)建方法,將螺桿轉(zhuǎn)子平面型線的嚙合線轉(zhuǎn)換到球面上,并反向求解螺桿轉(zhuǎn)子球截面型線,實(shí)現(xiàn)了錐形螺桿轉(zhuǎn)子的球截面型線在球面上的嚙合,進(jìn)而構(gòu)建了錐形螺桿轉(zhuǎn)子。通過改變螺桿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸夾角構(gòu)建了多組錐形螺桿轉(zhuǎn)子,分析了螺桿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸夾角對雙螺桿壓縮機(jī)性能的影響,并與傳統(tǒng)的等徑螺桿轉(zhuǎn)子的性能進(jìn)行對比。

進(jìn)氣體積相同時,不同轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸夾角的錐形螺桿轉(zhuǎn)子對壓縮過程的改善效果更好。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸夾角為10~20°時,內(nèi)容積比的提高幅度可達(dá)24.6% ~47.5%,旋轉(zhuǎn)軸夾角20°時內(nèi)容積比可達(dá)6,介質(zhì)可得到充分壓縮。錐形轉(zhuǎn)子在靠近高壓側(cè)的排氣端接觸線更短,有效地減少了壓縮機(jī)的內(nèi)部泄漏量。錐形螺桿轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可以使壓縮機(jī)在靠近排氣口位置的泄漏面積更小,有助于減小壓縮機(jī)靠近進(jìn)氣口位置的泄漏量。

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作者簡介:任純吉(1999-),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械及其內(nèi)部流動。E-mail:rcj199902@163.com

文章來源:壓縮機(jī)技術(shù)

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