雙螺桿的案例
基于ANSYS/CFX漸加速雙螺桿設計及三維流場分析
摘 要：目的:提高雙螺桿擠出機的混合效率和工作性能。方法:設計了一種內嵌行星輪系和安裝捏合塊的新型雙螺桿擠出機，并用SolidWorks建立三維模型，以有限體積法為基礎，用ANSYS/CFS有限元分析軟件對其流道進行分析。獲得其宏觀壓力圖、速度矢量圖、速度流線圖并與傳統雙螺桿擠出機三維流場進行對比。結果:在行星輪系和捏合塊的漸加速作用下，漸加速雙螺桿擠出機的混合性能和工作效率要明顯優于傳統雙螺桿，經計算漸加速型雙螺桿比普通雙螺桿提高20%～25%。結論:漸加速雙螺桿在不斷加速的過程中使得物料在機筒內停留的時間變短，從而提高產量且減少耗能，捏合塊的加入更使得物料可以得到更好的剪切。
關鍵詞：雙螺桿;ANSYS/CFS;漸加速;流場分析;
雙螺桿擠出機具有可靠性高、自潤能力強、殘留物料少等優點，在食品加工、聚合物、化工、造紙等行業得到了廣泛的應用[1,2,3]。但隨著食品材料的發展，對雙螺桿擠出機提出了更為嚴格的要求[4,5]。傳統的雙螺桿擠出機分布和混合效率相對較低，耗能較大，對某些材料進行加工時，擠出效率低，產品質量差[6,7,8,9]。為了解決這些問題，許多學者對雙螺桿擠出機做出了諸多改善和優化，但都只對某一方面進行了探究。
展開 單螺桿壓縮機 VS 雙螺桿壓縮機
雖然單螺桿和雙螺桿僅一字之差，很容易讓人聯想到系出同門，讓人誤以為單螺桿與雙螺桿是“近親”。但實際上這兩種類型的壓縮機無論在原理還是結構上都有非常明顯的不同。只是在成套后的結構、布局和工作流程上，大體相同。而且在產品的應用范圍上高度重疊，互為競爭機型。
本期我們就來探討下單螺桿壓縮機和雙螺桿壓縮機的不同
。
（示意圖，不對應文中任何產品信息）
單螺桿壓縮機
1、單螺桿機的基本結構
故名思議，相對于雙螺桿壓縮機，單螺桿壓縮機只有一根螺桿，其螺桿同時與兩個或兩個以上的星輪嚙合。螺桿型面、星輪端面、螺桿兩端蓋板共同圍成若干封閉容積，實現氣體的壓縮。
螺桿和星輪根據其外形可分為圓柱形（C）和平面形（P），這兩種類型可組合成四種形式的單螺桿壓縮機：CP型、PC型、PP型、CC型。
CP型是最常見的單螺桿壓縮機形式，我們在以下的講解中也僅以此種形式的單螺桿壓縮機為例。
CP型單螺桿壓縮機的結構：由一個圓柱螺桿和兩個對稱分布的平面齒輪組成嚙合副，裝在機殼內。螺桿螺槽、機殼(氣缸)內壁和星輪齒構成封閉容積。
展開 雙螺桿壓縮機大內容積比錐形轉子的設計與性能研究
雙螺桿壓縮機大內容積比錐形轉子的設計與性能研究
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（華東）新能源學院，山東青島２６６５８０；
２.壓縮機技術國家重點實驗室，合肥通用機械研究院有限公司，安徽合肥２３００３１）
［摘 要］：內容積比是雙螺桿壓縮機的重要性能指標，為了最大限度地提高其內容積比，設計了交叉軸錐形螺桿轉子，實現了雙螺桿壓縮機內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錐形螺桿轉子的工作性能，并與傳統等徑螺桿轉子進行對比。結果表明：在轉子旋轉軸夾角為１０°～２０°時，內容積比的提高幅度可達２４.６％ ～４７.５％。錐形螺桿轉子對端面泄漏有較大的改善，力學性能方面有顯著優點。
［關鍵詞］：雙螺桿壓縮機；錐形轉子；內容積比；性能分析
中圖分類號：ＴＨ４５ 文獻標志碼：Ａ
文章編號：１００６－２９７１（２０２２）０２－００１５－０６
１ 引言
雙螺桿壓縮機是一種容積式壓縮機，具有內壓縮的特點，因其結構簡單、可靠性高、適應性強等優點，廣泛應用于冶金、化工、食品、制藥等行業，近年來受到越來越多的關注［１～２］。內容積比是衡量螺桿壓縮機工作性能的重要參數，雙螺桿壓縮機的增壓部件是一對相互嚙合的陰陽螺桿轉子，轉子型線和螺桿的幾何特性直接影響雙螺桿壓縮機的工作性能，因此改進螺桿轉子的結構對提升雙螺桿壓縮機的壓縮性能及改善泄漏具有重要意義。
邢子文，等［３～５］在雙螺桿壓縮機的轉子型線方面做了大量的工作，提出了計算轉子接觸線長度的方法，并研發了螺桿轉子的設計軟件。文獻［６～７］提出的變螺距螺旋線的雙螺桿壓縮機，提高了螺桿壓縮機的內容積比，增大了壓縮比。
展開 雙螺桿壓縮機流固共軛傳熱CFD分析 附基于SCORG和Simerics MP 的CFD雙螺桿泵數值模
概述
雙螺桿壓縮機是一種做回轉運動的容積式氣體壓縮機械，隨著螺桿轉子的轉動，陰陽轉子間的齒間容積沿轉子軸線從吸氣端運動到排氣端，且齒間容積由小到大再變小，發生周期性的變化，完成吸氣、壓縮和排氣過程。
【Simerics技術分享】雙螺桿壓縮機注油過程3D動態仿真
雙螺桿壓縮機注油過程3D動態仿真
除潤滑齒輪外，不同類型的容積式壓縮機普遍采用噴油來冷卻壓縮氣體、密封泄漏間隙提高壓縮機氣體流量和效率。
本文將詳細介紹雙螺桿壓縮機注油過程的3D全瞬態CFD仿真，采用體積分數(VOF)法對氣液兩相流動進行模擬，通過對比有油和無油情況下的模擬結果，對注油冷卻和密封效果進行評價。
通過該算例Simerics MP+ 軟件VOF模型的有效性、強大性及計算速度得到了有效地驗證。
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雙螺桿壓縮機基本原理
雙螺桿壓縮機是一種做回轉運動的容積式氣體壓縮機械，隨著螺桿轉子的轉動，陰陽轉子間的齒間容積沿轉子軸線從吸氣端運動到排氣端，且齒間容積由小到大再變小，發生周期性的變化，完成吸氣、壓縮和排氣過程。
除潤滑齒輪外，不同類型的容積式壓縮機普遍采用噴油來冷卻壓縮氣體、密封泄漏間隙提高壓縮機氣體流量和效率。
本文將詳細介紹雙螺桿壓縮機注油過程的3D全瞬態CFD仿真，采用體積分數(VOF)法對氣液兩相流動進行模擬，通過對比有油和無油情況下的模擬結果，對注油冷卻和密封效果進行評價。
通過該算例Simerics MP+ 軟件VOF模型的有效性、強大性及計算速度得到了有效地驗證。
展開 普拉多2700雙螺桿機械增壓，動力提升完美方案
圖：雙螺桿機械增壓工作原理圖
雙螺桿機械增壓的壓氣機直接取自發動機的動力，也就是說發動機一啟動，機械增壓就開始運轉，只要車輛開始前進，驅動車輛的就是已經被機械增壓增強了動力，此時的發動機，相當于擴大了排量，自然吸氣一樣都是線性輸出。 雖然機械增壓是要消耗引擎動力的，所以從這方面看，經濟性略低一些。但這不算什么問題，使用機械增壓的民用車型往往都突出平順性而對動力的提升沒有過分的要求，1bar的增壓已經足足夠夠了，很多車型都在0.5左右，而且機械增壓只不過是為了改善進氣環境充分發揮發動機性能而已。雖然浪費一些動力，但是讓動力提前輸出也可以將功補過，平衡油耗。
拿普拉多2700來說，她的原廠馬力是163HP,扭矩246NM，這個動力對很多人來說都是不滿足的，如果你加裝一套VT-RACING雙螺桿機械增壓套件，她將會給你帶來和4.0相媲美的動力體驗。
壓縮后的空氣溫度比較高，所以VT-RACING替換了原廠進氣歧管，并在內部加裝了一個小型水冷配合前面的中置水冷器給壓縮后的空氣循環散熱處理，使打入氣缸內的空氣溫度降低密度增大，汽油燃燒更加充分省油。
雙螺桿機械增壓在工作時有獨特的機械聲音，配備VT-RACING研發的U型降音處理器后，有效的控制了其聲音。
VT-RACING雙螺桿機械增壓套件有：VT-RACING機械增壓本體、進氣歧管、降音處理器、中置水冷器、水壺、水泵、皮帶等相關附件。全套件原裝位無損安裝，無需破線，切割和焊接等。
展開 Simerics | 雙螺桿壓縮機流固共軛傳熱CFD分析
雙螺桿壓縮機是一種做回轉運動的容積式氣體壓縮機械，隨著螺桿轉子的轉動，陰陽轉子間的齒間容積沿轉子軸線從吸氣端運動到排氣端，且齒間容積由小到大再變小，發生周期性的變化，完成吸氣、壓縮和排氣過程。
壓縮機內溫度的變化對壓縮性能和效率有著至關重要的影響，為了準確地預測壓縮機的熱動力學特性，在CFD模擬中需要對金屬部件與工作流體之間的傳熱進行適當的分析與評估。
本文基于Simerics-MP+軟件，利用混合時間尺度耦合法求解不同介質間耦合傳熱的問題。該方法可以解決熱傳播的時間尺度差異問題。通過比較在有和沒有考慮共軛傳熱情況下的模擬結果，評估流固共軛傳熱對雙螺桿壓縮機性能的影響。結果表明本文所使用的方法是有效、快速和友好的，可以很容易地應用于工業壓縮機系統。
展開 CFD技術應用之雙螺桿泵
目前，對螺桿泵的研究大多是圍繞螺桿轉子型線和轉子機械性能進行的，關于螺桿內部流場的關鍵技術和動態特性的研究很少報道。泵內流體為復雜、不穩定、不可壓縮的粘性流，直接影響螺桿泵的性能。用試驗方法驗證幾何設計的合理性需要大量的人力和物力，而CFD方法則可以節約成本，加速設計周期。
雙螺桿壓縮機CFD模擬，這樣做才專業！
Simerics-MP+作為專業的運動機械CFD模擬專家，在螺桿壓縮機流固共軛傳熱領域具備獨特的優勢：
Simerics-MP+具備螺桿壓縮機轉子網格導入接口，可直接將螺桿壓縮機轉子部件的網格快速導入并完成動網格設置；
Simerics-MP+引進一種先進的共軛傳熱求解的新方法—混合時間尺度耦合法（Mixed Timescale Coupling method），這種方法可以解決熱量傳播過程中的時間尺度問題，快速獲取可靠結果；
Simerics-MP+內置的應變應力求解器可進行單向流固耦合求解，將轉子壁面溫度反饋到固體結構進行熱應力和熱膨脹變形的求解；
Simerics-MP+具有高效的求解功能，其求解器基于傳統的CFD求解器進行了優化，相較于傳統的CFD工具，其求解速度更快。結合強大的網格技術，Simerics-MP+可以順利進行系統級的CFD分析工作。目前Simerics-MP+在系統級分析領域已積累較多經驗。
4 雙螺桿壓縮機案例
本文以N35無油雙螺桿壓縮機為研究對象，陽轉子的運行速度為6000rpm到14000rpm，陽轉子直徑為127.45mm，陰轉子直徑為120.02mm，兩個轉子之間的中心距離為93.00mm。轉子的長徑比為1.6，陽轉子的包角為285.0度。同時考慮流體域和固體域，以實現兩者之間的共軛傳熱問題。
4.1 流體模型
采用專業的網格生成軟件SCORG進行雙螺桿轉子部分流體域的網格劃分。在SCORG中根據不同的旋轉角度創建了一系列的轉子網格文件。
展開 制冷壓縮機振動噪聲控制技術
從圖3（e）和（f）壓力時域和噪聲頻譜的計算結果可以看出，雙螺桿式制冷壓縮機氣流脈動具有顯著的周期性，其前四階的氣動噪聲相對較大。將流場和聲場的預測結果反饋給結構設計，實現雙螺桿式制冷壓縮機流場與聲場的優化。
圖3 雙螺桿式制冷壓縮機流場-聲場聯合仿真預測
基于雙螺桿式制冷壓縮機的流場和聲場特性，設計氣流脈動衰減裝置，抑制氣流脈動誘發的振動噪聲。
定頻雙螺桿式制冷壓縮機的運行轉速恒定，氣流脈動激勵頻率固定，可采用赫姆霍茲共振腔和聲波干涉器衰減氣流脈動，降低氣動噪聲，其結構原理如圖4（a）和（b）所示，針對某公司螺桿式制冷壓縮機噪聲特性和結構空間，成功試制了樣品，如圖4（c）和（d）所示。在排氣軸承座上設計赫姆霍茲共振腔，其腔體容積為32.0 cm3，頸部長度為15.0 mm，頸部直徑為16 mm，最佳狀態下可降低噪聲聲壓級2~3 dB（A）。在排氣軸承座的排氣端面上開設旁支流道，旁支流道與主流道的長度差為290.0 mm，可降低噪聲聲壓級2 dB（A）。
圖4 壓縮機氣流脈動衰減裝置原理及應用
圖5所示為寬頻穿孔管消聲器結構示意圖和應用于某公司螺桿式制冷壓縮機的穿孔管消聲器樣品。由于變頻雙螺桿式制冷壓縮機的運行轉速范圍寬，氣流脈動激勵頻率區間廣，采用寬頻穿孔管消聲器降噪技術，可以有效降低壓縮機在變轉速和變工況下的噪聲。
展開 塑料螺桿擠出機的工作原理
大型化和精密化 實現擠出成型設備的大型化可以降低生產成本，對于大型雙螺桿造粒機組、吹膜機組、管材組更是如此。在中國，大型化設備長期依賴于進口，現正在進行大型雙螺桿造粒機組國產化研究。精密化可以提高產品的含金量，如多層復合共擠薄膜。熔體齒輪泵作為實現精密擠出的重要手段應加大力度進行開發研究。國際知名供應商在大型擠出機開發方面已有大量成熟的技術。 為了滿足不同客戶的需要，JSW提供從TEX30到TEX400不同規格的雙螺桿擠出機。
其最大的雙螺桿擠出機TEX400機筒直徑443mm，總長 35m，總重量達320噸。 Yanbu國立石油公司不久前向W&P公司訂購了一臺大型雙螺桿ZSK320擠出機，包括電機、造粒機以及水冷系統，總值超過2000萬歐元。根據不同聚合物品種與粘度，其產量達每小時25-50噸。
奧地利維也納的辛辛那提擠出有限公司在2006年發運給美國一家客戶一臺迄今為止世界上最大的異向旋轉平行雙螺桿擠出成型機。這臺30t的巨型機器的產量可達到2000kg/h，是用于高速生產pvc板材的理想設備。
國內科研院所在熔體齒輪泵的研究開發方面也做了大量的工作。北京化工大學已經開發了多個系列的熔體齒輪泵產品。 Krauss-Maffei公司36D系列雙螺桿擠出機專為PVC加工而設計 模塊化和專業化 模塊化生產可以適應不同用戶的特殊要求，縮短新產品的研發周期，爭取更大的市場份額;而專業化生產可以將擠出成型裝備的各個系統模塊部件安排定點生產甚至進行全球采購，這對保證整機質量、降低成本、加速資金周轉都非常有利。
制造商通過增加填料量將明顯降低PVC管材原料費用。工程上的挑戰是要保證工藝的穩定和產品的優質。Krauss-Maffei公司36D平行雙螺桿擠出機專為理想的PVC加工而設計。
展開 
螺桿泵的工作原理及選型
這就要求泵體與螺桿外圓表面及螺桿與螺桿間隙應盡可能小些。同時螺桿與泵體、螺桿與螺桿間又相互形成密封腔，保證密閉，否則就可能有液體從間隙中倒流回去。
雙螺桿泵獨特的結構使它可以實現無攪拌、無脈動、平穩的輸送各種介質；由于泵體結構保證泵的工作元件內始終存有泵送液體作為密封液體，因此雙螺桿泵有很強的自吸能力，且能汽液混輸。雙螺桿泵的特殊設計還保證了泵有高的吸入性能即很小的NPSHr值。
雙螺桿泵又可分為內置軸承和外置軸承兩種形式。在內置軸承的結構型式中軸承由輸送物進行潤滑。外置軸承結構的雙螺桿泵則是工作腔同軸承分開。這種泵的結構和螺桿間存在側間隙，獨立潤滑的外置軸承允許其輸送各種非潤滑性介質。
此外，調整同步齒輪使得螺桿不接觸，同時將輸出扭矩的一半傳給從動螺桿。如所有螺桿泵一樣，外置軸承式雙螺桿泵也有自吸能力，而且多數泵輸送元件本身都是雙吸對稱布置，可消除軸向力，也有很大的吸高。
外置軸承的雙螺桿泵結構的優點大大拓寬了雙螺桿泵的使用范圍，即：除了輸送潤滑性良好的介質外，還可輸送大量的非潤滑性介質，各種粘度（最高粘度可達3*106mm/s）的介質以及具有腐蝕性（酸、堿等性質），磨蝕性的液體；
另外雙螺桿泵由于其恒定間隙的存在以及型線上的特點，其屬于非密封型容積泵，因此除了輸送純液體外，還可輸送氣體和液體的混合物，即汽液混輸，這也是雙螺桿泵非常獨特的優點之一；
雙螺桿泵還可干轉：由于運動部件在工作時互不接觸，因此短時的干轉不會破壞泵元件，這種特點給自動控制的流程提供了極大的方便，但干運轉時間受多種因素限制，一般很短。
另外雙螺桿泵在輸送過程中無剪切，無乳化作用，因此不會破壞分子鏈結構和工況流程中所形成的特定的流體性質，并且由于傳動依靠同步齒輪，泵運轉噪音低，振動小，工作平穩。
展開 【技術分享】獨一無二的螺桿機械仿真技術！
圖1 SCORG+Pumplinx聯合解決方案
螺桿機械數值分析案例
在進行螺桿機械的性能分析時，客戶往往不能滿足于一維的熱力學預測，而希望能對螺桿壓縮機或泵進行更為詳細的三維CFD數值分析，獲得螺桿機械流場的壓力、速度、溫度以及空化預測，以及更為精確的性能特性曲線。
聯合SCORG與PumpLinx即可實現螺桿機械的三維非定常數值分析。
下圖為某雙螺桿壓縮機的三維模型，提取后的流體域部分由吸入段、排出段和轉子部分構成。
圖2 雙螺桿壓縮機幾何模型
SCORG為專業的雙螺桿機械型線分析和前處理軟件，通過輸入雙螺桿機械陰陽轉子型線數據和齒數、節距及軸徑等相關參數，即可自動生成雙螺桿壓縮機轉子部分結構網格。
圖3 轉子區域網格
圖4 嚙合間隙處網格
SCORG與PumpLinx實現無縫集成，SCORG生成的轉子結構網格可直接輸入至PumpLinx。PumpLinx內置有螺桿壓縮機的數值分析模板，通過輸入螺桿壓縮機的齒數、轉速、旋轉中心等運行參數，即可自動設置螺桿壓縮機轉子部分的動網格，進而進行流場數值分析。
在PumpLinx中調用雙螺桿壓縮機模板并設置動網格后，設置該分析模型的邊界條件和介質參數，即可對該壓縮機進行熱流體分析預測，部分參數如下圖所示。
圖5 邊界條件及物性參數
通過對該雙螺桿壓縮機進行6000rpm和8000rpm兩個工況的預測分析，并與試驗值進行對比分析，驗證了數值結果的準確性，同時也為雙螺桿壓縮機的產品優化及性能分析提供了一種更為便利和經濟的手段。
展開 熱塑性復合材料成型工藝
單螺桿排氣式擠出機回擠造粒法流程：
（3）雙螺桿排氣式擠出法
工藝：將樹脂和纖維分別加入排氣式雙螺桿擠出機的加料孔和進絲口，GF被左旋螺桿及捏合裝置所破碎，在料筒內纖維和樹脂混合均勻，經過排氣段除去混料中的揮發性物質，進一步塑煉后經口模擠出料條，再經冷卻、干燥、然后切成粒料。
特點：
① 雙螺桿起著增壓泵的作用；
② 在特定負荷下，可以通過反向螺紋或節流閥，沿料筒長度來控制壓力；
③ 通過改變捏合段的構型和調節節流閥、控制溫度等，可沿料筒長度方向調節各個截面的切變速率；
④ 該擠出機有精密的熱交換系統；
⑤ 由于雙螺桿作用，物料在料筒中形成薄層，因而物料表面不斷更新，混合作用極強，均質熔體形成極快。
（4）雙階排氣式擠出機對長纖維增強粒料排氣回擠造粒法
長纖維增強熱塑性塑料粒料
一般采用經典的電纜包覆方法制造，適宜于螺桿式注射機成型用。
包覆式長纖維增強塑料粒料制造工藝流程
管道反應法：單體與玻纖同時由管道進口加入，通過管道聚合反應，出料口即得到增強料
條。
聚合物出料口包覆法：在聚合釜出料口安裝包覆機頭，待聚合物出料時，可將玻纖包覆。
長纖維增強熱塑性塑料粒料的結構類型
(a) 玻璃纖維組成一大束包于粒子之中
(b) 玻璃纖維成幾小束分散于粒子四周
(c) 最理想的粒子結構形式
（來源：武漢理工大學 王翔）
展開 黑色 色母在塑料制品中的應用
有三種：單螺桿法，雙螺桿法和密煉法。單螺桿法：使用拌料機將物料混合后，由單螺桿擠出機拉條造粒，一般碳黑濃度在18-20%，工藝落后，生產現場環境條件差，屬被淘汰工藝，不排除一些剛起步小廠仍使用此法加工。
雙螺桿法：使用拌料機將物料混合后，由雙螺桿擠出機拉條或水環造粒，由于雙螺桿機本身混煉能力有限，母粒一般碳黑濃度在25-32%。密煉法：使用拌料機將物料混合后，加入密煉機捏合后，再由喂料機喂入雙螺桿擠出機，經水環或水下切粒，母料一般碳黑濃度在40-45%。
8、加工方法對母粒性能有影響嗎？
是的。顯然，密煉法提高了載體對碳黑的承載能力，同時碳黑能更均勻地進入載體。發揮密煉機機械捏合優勢，破碎團聚粒子，使碳黑粒子團聚粒度大大降低，母粒中碳黑粒徑及其分布均勻，是其他兩種方法不能替代的。
9、黑色母粒在哪些方面具有突出表現？
在塑料制品染色方面，黑色母粒只需0.6%-0.8%，就會奇黑無比，再多加也不會更黑了。
據試驗數據顯示，在新疆地區戶外使用的制品，如需要依靠黑色母粒防老化，只要使用優質黑色母粒(而不是回料做載體，白油潤濕，碳酸鈣分散等等的那種)，碳黑在制品中含量達到2-2.5%，即：每100公斤原料中，有5-6份(重量)含碳黑40%的母粒，所起到的作用遠遠超過任何防老化產品，產品壽命可以達到10年以上。
這就是為什么滴灌產品，輸水產品，通信電纜產品都是黑色的。另外，碳黑對制品強度增加，導電性增強等方面都有特殊貢獻。
10、實際生產中好像沒有使用這么多份數的黑色母料？
沒錯。實際生產中一般使用2份左右黑色母粒，再添加防老化助劑，利用防老化和碳黑的協同作用防老化，來降低產品成本。
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