棱桿壓縮機轉子型線(xiàn)設計與數值模擬

　　設計設究廣棱桿壓縮機轉子型線(xiàn)設計與數值模擬高舉成，張兆合（哈爾濱工業(yè)(gōng yè)大學(xué)（威海，山東威海264209）設計或選型方法。針對設計完成的棱桿壓縮機試驗樣機，采用CFD分析(Analyse)軟件進(jìn)行了動(dòng)態(tài)數值模擬。仿真結果表明，該壓縮機不僅具有優(yōu)良的內壓縮過(guò)程，而且可以達到非常高的壓縮壓力。
　　1概述棱桿壓縮機作為種新穎的具有獨立自主知識(zhī shí)產(chǎn)權(intellectual property)的回轉容積(Capacity)式壓縮機（發(fā)明專(zhuān)利號：ZL200610042114.8），與目前占有市場(chǎng)優(yōu)勢的螺桿壓縮機相比，具有轉子加工簡(jiǎn)單、泄漏通道少（無(wú)泄漏三角形、進(jìn)排氣口設計(design)靈活、軸承選擇(xuanze)要求低、運轉速度低、制造成本(cost)低、工作效率高等諸多優(yōu)越性能。
　　棱桿壓縮機(compressor)具有寬廣的適用范圍，凡是能夠適用螺桿壓縮機的場(chǎng)合，基本也適用棱桿壓縮機。在現有工業(yè)技術(shù)的基礎上應用棱桿壓縮機技術(shù)，可以最大限度地繼承現有的螺桿壓縮機技術(shù)，如在棱桿壓縮機轉子型線(xiàn)的選擇與設計方面，以及在棱桿壓縮機的軸承、軸封、同步齒輪、整機結構等的選型與設計方面，都可以充分利用現有螺桿壓縮機的技術(shù)成果，這為棱桿壓縮機的推廣和本文根據棱桿壓縮機的工作(gōng zuò)原理(yuán lǐ)，設計了雙邊對稱(chēng)圓弧型轉子型線(xiàn)，并進(jìn)行了試驗樣機的主要零部件設計，然后對其壓縮過(guò)程進(jìn)行了基于CFD的數值模擬。
　　2轉子型線(xiàn)設計棱桿壓縮機中，轉子的型線(xiàn)設計是整個(gè)棱桿壓縮機設計中的關(guān)鍵任務(wù)。昆山空壓機維修在啟動(dòng)前，首先啟動(dòng)油泵控制系統，油泵控制系統啟動(dòng)后保證空壓機各潤滑部件潤滑良好，同時(shí)油泵控制系統可通過(guò)內置的溫控閥來(lái)調節內部油壓和油溫，以滿(mǎn)足系統需要。根據嚙合規律，棱桿壓縮機陽(yáng)、陰轉子上的凸棱式型面數與凹槽式型面數之比等于陽(yáng)、陰轉子節圓的直徑或半徑之比，通常優(yōu)先選用陽(yáng)、陰轉子上的凸棱式型面數與凹槽式型面數之比為2/2、2/3、3/3、3/4等的轉子組合方案，這樣可以獲得盡可能高的壓力(pressure)比。
　　與螺桿壓縮機類(lèi)似，棱桿壓縮機的轉子型線(xiàn)既有對稱(chēng)型線(xiàn)與非對稱(chēng)型線(xiàn)之分，也有單邊型線(xiàn)與雙邊型線(xiàn)之別。對于螺桿壓縮機而言，由于為了盡量降低泄漏三角形對整機泄漏和功耗的影響而設計了各種各樣的不對稱(chēng)型線(xiàn)，但對于棱桿壓縮機而言，由于在結構上不存在泄漏三角形，因而可以盡量使用簡(jiǎn)單的雙邊對稱(chēng)型線(xiàn)，這樣既避免了轉子型線(xiàn)上的尖點(diǎn)和應力集中，又保證了棱桿壓縮機的設計、制造、調試方便(。本文以雙邊對稱(chēng)圓弧型線(xiàn)為例說(shuō)明型面數之比為2/3的轉子組合方案的棱桿壓縮機轉子型線(xiàn)的設計過(guò)程。
　　所示為凹槽式型面數為3的陰轉子雙邊對稱(chēng)（symmetry)圓弧型線(xiàn)，節圓半徑為Ra，所示為凸棱式型面數為2的陽(yáng)轉子雙邊對稱(chēng)圓弧型線(xiàn)，節圓半徑為Rit，設與陽(yáng)、陰轉子轉軸相連的同步齒輪齒數分別為Z
　　I、Z2，則傳動(dòng)比為、中陰陽(yáng)轉子上的組成齒曲線(xiàn)（Curve）及其對應關(guān)系如表1所示。昆山空壓機維修工作時(shí)，空氣經(jīng)過(guò)自潔式空氣過(guò)濾器被吸入，通過(guò)PLC自動(dòng)清洗過(guò)濾器，空氣在經(jīng)過(guò)進(jìn)口導葉自動(dòng)調節后進(jìn)入一級壓縮，經(jīng)一級壓縮后的氣體溫度較高，然后進(jìn)入中間冷卻器進(jìn)行冷卻(水走管內，氣走管外，中冷器的水流量要求為110m/h)之后進(jìn)入二級壓縮系統
　　A
　　B、E
　　F、H
　　I、LM是中心分別在各自轉子節圓與，上，半徑為的圓弧段，圓弧半徑，的選取不同于螺桿壓縮機的型線(xiàn)設計，可以不考慮它對泄漏三角形的影響。
　　CD段與K段是半徑為R的圓弧段，其中陽(yáng)轉子上的K圓弧段的頂部在型線(xiàn)設計完成后，又以直徑為2Rit+2R-A或2Ra+2r.的外圓進(jìn)行了截切，這樣做的好處是：（1陽(yáng)轉子與內腔壁之間可以形成面密封；Q壓縮終了可以獲得更小的余隙容積；（3通過(guò)(tōng guò)尺寸調整可以使機體的陰、陽(yáng)轉子內腔直徑相等，從而使殼體的應力分布與散熱更加均勻，同時(shí)也便于殼體的成型與加工。
　　表1陰陽(yáng)轉子雙邊對稱(chēng)（symmetry)圓弧型線(xiàn)組成齒曲線(xiàn)陰轉子陽(yáng)轉子圓弧擺線(xiàn)點(diǎn)擺線(xiàn)圓弧點(diǎn)擺線(xiàn)點(diǎn)圓弧上述圓弧段的方程顯然比較容易確定。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設備?？諝鈮嚎s機與水泵構造類(lèi)似。大多數空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉葉片或旋轉螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。B
　　C、D
　　E、
　　I、KL段是擺線(xiàn)段，其擺線(xiàn)方程的推導結果分別為其中心叱的值及仍的取值范圍由圖中幾何關(guān)系根據坐標變換關(guān)系式及包絡(luò )條件確定。
　　在轉子（rotor）型線(xiàn)確定的基礎上，將轉子型線(xiàn)沿轉子軸線(xiàn)方向拉伸，即可形成平行于陰、陽(yáng)轉子的軸線(xiàn)方向不發(fā)生扭轉的凹槽式或凸棱式型面，進(jìn)而完成陰陽(yáng)轉子主體部分的造型(zào xíng），如所示。
　　由圖中可以看出棱桿壓縮(compression)機中的轉子與螺桿壓縮機中的轉子的本質(zhì)差別。
　　同時(shí)，在轉子型線(xiàn)確定的基礎上，根據陰陽(yáng)轉子各段齒曲線(xiàn)方程，結合轉子與~字形缸體的實(shí)際結構尺寸(size)以及排氣孔口的始邊位置，可由解析法求得陰陽(yáng)轉子的齒間面積和壓縮終了的余隙面積，如中的A
　　M、42和43.再根據陰陽(yáng)轉子的有效工作長(cháng)度L即可求得實(shí)際參與壓縮行程的齒間容積V，即若視被壓縮氣體為理想氣體，則可近似計算棱桿壓縮機(compressor)的內壓力(pressure)比，即上式括號內的比值即為棱桿壓縮機的內容積比，m為多方過(guò)程指數，可參照螺桿壓縮機的經(jīng)驗數據選取。
　　轉子主體之外的軸頸部分按普通轉軸的設計(design)方法(method)進(jìn)行設計。昆山空壓機保養主要噪聲源是進(jìn)、排氣口，應選用適宜的進(jìn)排氣消聲器?？諌簷C進(jìn)氣噪聲的頻譜呈低頻特性，進(jìn)氣消聲器應選用抗性結構或以個(gè)、抗性為主的阻抗復合式結構?？諌簷C的排氣氣壓大，氣流速度高，應在空壓機排氣口使用小孔消聲器與螺桿壓縮機的轉子設計原則類(lèi)似，棱桿壓縮機的轉子也有整體式與組合式之分，也可以采取內部冷卻結構(，也可以設置密封(seal)齒或密封肋。另外，由于棱桿壓縮機的兩轉子由同步齒輪（Gear）帶動(dòng)旋轉，實(shí)際上兩轉子是不接觸的，因此棱桿壓縮機轉子的選材可以比噴油螺桿壓縮機轉子的選材更加寬泛。本文試驗樣機的轉子材料選用普通中碳鋼。
　　3其它主要零部件設計與選型3.1機體機體是棱桿壓縮機的主要零部件之一，它是壓縮機轉子、軸承、軸封、同步齒輪等零部件安裝的載體。與螺桿壓縮機類(lèi)似，也由中間部分的缸體及兩端的端蓋組成，其中側端蓋根據實(shí)際情況既可以與缸體鑄成一體，也可以分體制造。
　　由于棱桿壓縮機的進(jìn)排氣口安排比螺桿壓縮機更加靈活，因此進(jìn)排氣口既可以設計成徑向吸排氣，也可以設計成軸向吸排氣。此外，棱桿壓縮機的缸體也可以根據需要設計成單層壁結構或雙層壁結構。另外，棱桿壓縮機的機體材料(Material)也可以根據需要選用普通灰鑄鐵(cast iron)、球墨鑄鐵、鑄鋼、合金鋼(alloy steel)或不銹鋼(不銹耐酸鋼)等不同的材料。
　　本文所涉及的試驗樣機采用一側端蓋與缸體鑄成一體的結構形式，進(jìn)排氣口都設計成徑向吸排氣結構，缸體為單層壁結構，材料選用球墨鑄鐵。
　　3.2軸承軸承也是棱桿壓縮機的關(guān)鍵（解釋:比喻事物的重要組成部分)零部件之一，與螺桿壓縮機類(lèi)似，棱桿壓縮機所用的軸承也分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩種，在非大型棱桿壓縮機中一般都選用滾動(dòng)軸承。但由于棱桿壓縮機的陰陽(yáng)轉子型面是直齒面，轉動(dòng)過(guò)程中不會(huì )產(chǎn)生軸向力，這樣在采用直齒同步齒輪（Gear）及沒(méi)有軸向吸排氣(Exhaust)壓力的情況(Condition)下，可以?xún)H選擇承受徑向力的向心軸承，相比于螺桿壓縮機從而最大化減少了軸承的數量；又因為棱桿壓縮機的轉速(Rotating speed)較低，所以相比于螺桿壓縮機可以用國產(chǎn)軸承代替進(jìn)口軸承，可以用低精度軸承代替高精度軸承。
　　本文的試驗樣機僅采用了4個(gè)市面購置的國產(chǎn)P5級角接觸球軸承。
　　3.3軸封棱桿壓縮機軸封的選擇原則也與螺桿壓縮機類(lèi)似。對于無(wú)油棱桿壓縮機而言，可以選擇石墨環(huán)式軸封、迷宮式軸封或機械式軸封；對于噴油棱桿壓縮機而言，在轉子（rotor）主體段與軸承之間可通過(guò)一定壓力的密封油進(jìn)行密封，在轉子的外伸軸段，可以采用簡(jiǎn)單的唇形密封圈進(jìn)行密封，也可以采用有油潤滑機械密封。另外，對于棱桿壓縮機而言，軸封的選用可以不區分進(jìn)氣端與排氣端。
　　本文的試驗樣機在轉子主體段與軸承之間設計(design)了密封油密封，而在轉子的外伸軸段，采用了唇形密封圈密封。
　　3.4同步齒輪由于棱桿壓縮機轉子上的嚙合齒數較少，因此無(wú)論是噴油棱桿壓縮機還是無(wú)油棱桿壓縮機，都必須(have to)由同步齒輪實(shí)現轉子組的同步旋轉，所以同步齒輪也是棱桿壓縮機的主要零部件之。
　　與其它設置同步齒輪機構的壓縮機械類(lèi)似，為了保證轉子的"嚙合（niè hé） "精度，棱桿壓縮機的同步齒輪的精度等級也有比較高的要求，般必須在6級精度以上。另外，為防止齒輪的軸向位移導致轉子的正確嚙合關(guān)系遭到破壞，同時(shí)也為了保證裝配時(shí)的安裝調整(Adjustment)方便，同步齒輪采用直齒輪更可靠一些。本文的試驗樣機設計了一對直齒同步齒輪，其中與陰轉子相連的同步齒輪設計成可調式結構。
　　4壓縮(compression)過(guò)程數值模擬為了考察按上述設計思路完成的棱桿壓縮機試驗樣機能否實(shí)現內壓縮過(guò)程，針對試驗樣機的簡(jiǎn)化模型利用CFD分析軟件采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行了壓縮過(guò)程的動(dòng)態(tài)數值模擬。
　　所示為不同轉速下試驗(test)樣機壓縮腔體內壓力分布的動(dòng)態(tài)數值模擬結果，其中Q和分別為轉速1200r/min和3000r/min時(shí)壓縮腔體內的壓力分布，壓力單位為Pa.從圖中可以看出，參與壓縮過(guò)程的齒間容積內的氣體(gas)壓力，兩個(gè)轉速下在與排氣口相通前已分別達到了2.81MPa和4.23MPa的局部瞬時(shí)壓力，并且隨著(zhù)轉速的提高，局部瞬時(shí)壓力也隨之顯著(zhù)提高。
　　上述數值模擬(定義:對真實(shí)事物或者過(guò)程的虛擬)結果一方面反映了棱桿壓縮機可以實(shí)現強烈的內壓縮過(guò)程，另一方面也反映了轉速的提高(能夠改善其速度密封效果，這與大多數間隙密封類(lèi)壓縮設備的實(shí)際情況相致。昆山空壓機保養主要噪聲源是進(jìn)、排氣口，應選用適宜的進(jìn)排氣消聲器?？諌簷C進(jìn)氣噪聲的頻譜呈低頻特性，進(jìn)氣消聲器應選用抗性結構或以個(gè)、抗性為主的阻抗復合式結構?？諌簷C的排氣氣壓大，氣流速度高，應在空壓機排氣口使用小孔消聲器
　　5結語(yǔ)以雙邊對稱(chēng)圓弧轉子型線(xiàn)為例，完成了棱桿壓縮機試驗樣機轉子型線(xiàn)的設計，給出了雙邊對稱(chēng)圓弧型線(xiàn)擺線(xiàn)段型線(xiàn)方程的推導結果，介紹了棱桿壓縮機試驗樣機其它主要零部件的設計與選型方法。利用CFD分析軟件，針對試驗樣機的簡(jiǎn)化模型采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行了壓縮過(guò)程的動(dòng)態(tài)數值模擬，結果表明參與壓縮過(guò)程的齒間容積內獲得了很高的局部瞬時(shí)壓力，證實(shí)了棱桿壓縮機能夠實(shí)現強烈的內壓縮過(guò)程。