棱桿壓縮機轉(zhuǎn)子型線設計與數(shù)值模擬

　　設計設究廣棱桿壓縮機轉(zhuǎn)子型線設計與數(shù)值模擬高舉成，張兆合（哈爾濱工業(yè)(gōng yè)大學（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)軟件進行了動態(tài)數(shù)值模擬。仿真結(jié)果表明，該壓縮機不僅具有優(yōu)良的內(nèi)壓縮過程，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(quán)(intellectual property)的回轉(zhuǎn)容積(Capacity)式壓縮機（發(fā)明專利號：ZL200610042114.8），與目前占有市場優(yōu)勢的螺桿壓縮機相比，具有轉(zhuǎn)子加工簡單、泄漏通道少（無泄漏三角形、進排氣口設計(design)靈活、軸承選擇(xuanze)要求低、運轉(zhuǎn)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合，基本也適用棱桿壓縮機。在現(xiàn)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(xiàn)有的螺桿壓縮機技術(shù)，如在棱桿壓縮機轉(zhuǎn)子型線的選擇與設計方面，以及在棱桿壓縮機的軸承、軸封、同步齒輪、整機結(jié)構(gòu)等的選型與設計方面，都可以充分利用現(xiàn)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(jù)棱桿壓縮機的工作(gōng zuò)原理(yuán lǐ)，設計了雙邊對稱圓弧型轉(zhuǎn)子型線，并進行了試驗樣機的主要零部件設計，然后對其壓縮過程進行了基于CFD的數(shù)值模擬。
　　2轉(zhuǎn)子型線設計棱桿壓縮機中，轉(zhuǎn)子的型線設計是整個棱桿壓縮機設計中的關鍵任務。昆山空壓機維修在啟動前，首先啟動油泵控制系統(tǒng)，油泵控制系統(tǒng)啟動后保證空壓機各潤滑部件潤滑良好，同時油泵控制系統(tǒng)可通過內(nèi)置的溫控閥來調(diào)節(jié)內(nèi)部油壓和油溫，以滿足系統(tǒng)需要。根據(jù)嚙合規(guī)律，棱桿壓縮機陽、陰轉(zhuǎn)子上的凸棱式型面數(shù)與凹槽式型面數(shù)之比等于陽、陰轉(zhuǎn)子節(jié)圓的直徑或半徑之比，通常優(yōu)先選用陽、陰轉(zhuǎn)子上的凸棱式型面數(shù)與凹槽式型面數(shù)之比為2/2、2/3、3/3、3/4等的轉(zhuǎn)子組合方案，這樣可以獲得盡可能高的壓力(pressure)比。
　　與螺桿壓縮機類似，棱桿壓縮機的轉(zhuǎn)子型線既有對稱型線與非對稱型線之分，也有單邊型線與雙邊型線之別。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型線，但對于棱桿壓縮機而言，由于在結(jié)構(gòu)上不存在泄漏三角形，因而可以盡量使用簡單的雙邊對稱型線，這樣既避免了轉(zhuǎn)子型線上的尖點和應力集中，又保證了棱桿壓縮機的設計、制造、調(diào)試方便(。本文以雙邊對稱圓弧型線為例說明型面數(shù)之比為2/3的轉(zhuǎn)子組合方案的棱桿壓縮機轉(zhuǎn)子型線的設計過程。
　　所示為凹槽式型面數(shù)為3的陰轉(zhuǎn)子雙邊對稱（symmetry)圓弧型線，節(jié)圓半徑為Ra，所示為凸棱式型面數(shù)為2的陽轉(zhuǎn)子雙邊對稱圓弧型線，節(jié)圓半徑為Rit，設與陽、陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸相連的同步齒輪齒數(shù)分別為Z
　　I、Z2，則傳動比為、中陰陽轉(zhuǎn)子上的組成齒曲線（Curve）及其對應關系如表1所示。昆山空壓機維修工作時，空氣經(jīng)過自潔式空氣過濾器被吸入，通過PLC自動清洗過濾器，空氣在經(jīng)過進口導葉自動調(diào)節(jié)后進入一級壓縮，經(jīng)一級壓縮后的氣體溫度較高，然后進入中間冷卻器進行冷卻(水走管內(nèi)，氣走管外，中冷器的水流量要求為110m/h)之后進入二級壓縮系統(tǒng)
　　A
　　B、E
　　F、H
　　I、LM是中心分別在各自轉(zhuǎn)子節(jié)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，其中陽轉(zhuǎn)子上的K圓弧段的頂部在型線設計完成后，又以直徑為2Rit+2R-A或2Ra+2r.的外圓進行了截切，這樣做的好處是：（1陽轉(zhuǎn)子與內(nèi)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(tōng guò)尺寸調(diào)整可以使機體的陰、陽轉(zhuǎn)子內(nèi)腔直徑相等，從而使殼體的應力分布與散熱更加均勻，同時也便于殼體的成型與加工。
　　表1陰陽轉(zhuǎn)子雙邊對稱（symmetry)圓弧型線組成齒曲線陰轉(zhuǎn)子陽轉(zhuǎn)子圓弧擺線點擺線圓弧點擺線點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(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。B
　　C、D
　　E、
　　I、KL段是擺線段，其擺線方程的推導結(jié)果分別為其中心叱的值及仍的取值范圍由圖中幾何關系根據(jù)坐標變換關系式及包絡條件確定。
　　在轉(zhuǎn)子（rotor）型線確定的基礎上，將轉(zhuǎn)子型線沿轉(zhuǎn)子軸線方向拉伸，即可形成平行于陰、陽轉(zhuǎn)子的軸線方向不發(fā)生扭轉(zhuǎn)的凹槽式或凸棱式型面，進而完成陰陽轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子與螺桿壓縮機中的轉(zhuǎn)子的本質(zhì)差別。
　　同時，在轉(zhuǎn)子型線確定的基礎上，根據(jù)陰陽轉(zhuǎn)子各段齒曲線方程，結(jié)合轉(zhuǎn)子與~字形缸體的實際結(jié)構(gòu)尺寸(size)以及排氣孔口的始邊位置，可由解析法求得陰陽轉(zhuǎn)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(jù)陰陽轉(zhuǎn)子的有效工作長度L即可求得實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(nèi)壓力(pressure)比，即上式括號內(nèi)的比值即為棱桿壓縮機的內(nèi)容積比，m為多方過程指數(shù)，可參照螺桿壓縮機的經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取。
　　轉(zhuǎn)子主體之外的軸頸部分按普通轉(zhuǎn)軸的設計(design)方法(method)進行設計。昆山空壓機保養(yǎng)主要噪聲源是進、排氣口，應選用適宜的進排氣消聲器。空壓機進氣噪聲的頻譜呈低頻特性，進氣消聲器應選用抗性結(jié)構(gòu)或以個、抗性為主的阻抗復合式結(jié)構(gòu)?？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(zhuǎn)子設計原則類似，棱桿壓縮機的轉(zhuǎn)子也有整體式與組合式之分，也可以采取內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)(，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(zhuǎn)子由同步齒輪（Gear）帶動旋轉(zhuǎn)，實際上兩轉(zhuǎn)子是不接觸的，因此棱桿壓縮機轉(zhuǎn)子的選材可以比噴油螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子的選材更加寬泛。本文試驗樣機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子、軸承、軸封、同步齒輪等零部件安裝的載體。與螺桿壓縮機類似，也由中間部分的缸體及兩端的端蓋組成，其中側(cè)端蓋根據(jù)實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排氣口安排比螺桿壓縮機更加靈活，因此進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(jù)需要設計成單層壁結(jié)構(gòu)或雙層壁結(jié)構(gòu)。另外，棱桿壓縮機的機體材料(Material)也可以根據(jù)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(cè)端蓋與缸體鑄成一體的結(jié)構(gòu)形式，進排氣口都設計成徑向吸排氣結(jié)構(gòu)，缸體為單層壁結(jié)構(gòu)，材料選用球墨鑄鐵。
　　3.2軸承軸承也是棱桿壓縮機的關鍵（解釋:比喻事物的重要組成部分)零部件之一，與螺桿壓縮機類似，棱桿壓縮機所用的軸承也分為滾動軸承和滑動軸承兩種，在非大型棱桿壓縮機中一般都選用滾動軸承。但由于棱桿壓縮機的陰陽轉(zhuǎn)子型面是直齒面，轉(zhuǎn)動過程中不會產(chǎn)生軸向力，這樣在采用直齒同步齒輪（Gear）及沒有軸向吸排氣(Exhaust)壓力的情況(Condition)下，可以僅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(shù)量；又因為棱桿壓縮機的轉(zhuǎn)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似。對于無油棱桿壓縮機而言，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(zhuǎn)子（rotor）主體段與軸承之間可通過一定壓力的密封油進行密封，在轉(zhuǎn)子的外伸軸段，可以采用簡單的唇形密封圈進行密封，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(qū)分進氣端與排氣端。
　　本文的試驗樣機在轉(zhuǎn)子主體段與軸承之間設計(design)了密封油密封，而在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子上的嚙合齒數(shù)較少，因此無論是噴油棱桿壓縮機還是無油棱桿壓縮機，都必須(have to)由同步齒輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)子組的同步旋轉(zhuǎn)，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(gòu)的壓縮機械類似，為了保證轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的正確嚙合關系遭到破壞，同時也為了保證裝配時的安裝調(diào)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(zhuǎn)子相連的同步齒輪設計成可調(diào)式結(jié)構(gòu)。
　　4壓縮(compression)過程數(shù)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現(xiàn)內(nèi)壓縮過程，針對試驗樣機的簡化模型利用CFD分析軟件采用動網(wǎng)格技術(shù)進行了壓縮過程的動態(tài)數(shù)值模擬。
　　所示為不同轉(zhuǎn)速下試驗(test)樣機壓縮腔體內(nèi)壓力分布的動態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果，其中Q和分別為轉(zhuǎn)速1200r/min和3000r/min時壓縮腔體內(nèi)的壓力分布，壓力單位為Pa.從圖中可以看出，參與壓縮過程的齒間容積內(nèi)的氣體(gas)壓力，兩個轉(zhuǎn)速下在與排氣口相通前已分別達到了2.81MPa和4.23MPa的局部瞬時壓力，并且隨著轉(zhuǎn)速的提高，局部瞬時壓力也隨之顯著提高。
　　上述數(shù)值模擬(定義:對真實事物或者過程的虛擬)結(jié)果一方面反映了棱桿壓縮機可以實現(xiàn)強烈的內(nèi)壓縮過程，另一方面也反映了轉(zhuǎn)速的提高(能夠改善其速度密封效果，這與大多數(shù)間隙密封類壓縮設備的實際情況相致。昆山空壓機保養(yǎng)主要噪聲源是進、排氣口，應選用適宜的進排氣消聲器?？諌簷C進氣噪聲的頻譜呈低頻特性，進氣消聲器應選用抗性結(jié)構(gòu)或以個、抗性為主的阻抗復合式結(jié)構(gòu)。空壓機的排氣氣壓大，氣流速度高，應在空壓機排氣口使用小孔消聲器
　　5結(jié)語以雙邊對稱圓弧轉(zhuǎn)子型線為例，完成了棱桿壓縮機試驗樣機轉(zhuǎn)子型線的設計，給出了雙邊對稱圓弧型線擺線段型線方程的推導結(jié)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，針對試驗樣機的簡化模型采用動網(wǎng)格技術(shù)進行了壓縮過程的動態(tài)數(shù)值模擬，結(jié)果表明參與壓縮過程的齒間容積內(nèi)獲得了很高的局部瞬時壓力，證實了棱桿壓縮機能夠?qū)崿F(xiàn)強烈的內(nèi)壓縮過程。