双螺杆压缩机工作性能参数仿真及试验研究.pdf

书书书应用与测试 年 期（总第 期）双螺杆压缩机工作性能参数仿真及试验研究饶静（信阳学院外国语学院，河南 信阳 ）摘要：双螺杆压缩机是将低压气体转换为高压气体的一种旋转机械装置，现阶段存在着影响双螺杆压缩机内部流场性能参数的研究不够全面，缺少相关试验分析，并且四大工作性能参数对双压缩机性能的影响尚未系统化、定性化描述的问题。以 齿双螺杆压缩机为研究对象，利用 和 软件为研究手段，建立双螺杆压缩机 流体域模型，采用动网格技术分析了功率、流量、比功率、压力四大工作性能参数在瞬态流场特性下的变化规律，同时，进行了试验验证。结果表明，功率仿真数据与试验数据相比较，差异率为 ，排气量差异率为 ，比功率差异率为 ，压力差异率为 。由此可知仿真值与试验值差异率均小于 ，吻合度较好，研究结果完善了双螺杆压缩机性能参数评价标准，为后续双螺杆压缩机性能优化提供了一种新方法。关键词：双螺杆压缩机；瞬态流场特性；动网格技术；工作参数；试验验证中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：校级科研项目（）；“大思政”视域下高校资助育人工作路径研究（）（，）：，：；应用与测试 年 期（总第 期）引言双螺杆压缩机作为工业行业中提供稳定压力、干燥、洁净的高品质压缩空气的动力来源，被广泛地应用于食品行业的减压包装容器中，它将包装容器内的空气全部抽出密封，维持包装袋内处于高度减压状态，使微生物没有生存条件，已达到果品保鲜、无病腐发生的目的。因此，为了挖掘优势结构下的良好特性，寻求提高双螺杆压缩机工作性能的途径，研究影响双螺杆压缩机工作性能参数，成为了国内外学者研究的热点问题。，上研究了阴阳转子一个啮合周期内流量变化规律 。程宝生等人以排气压力为 的螺杆压缩机为研究对象，推导出主机实际轴功率和额定轴功率之间的关系公式 。谭强等人在标准大气压工况下，分析了螺杆空压机的公称容积流量与气动机械公称耗气量的关系，定义受大气气压和温度影响的大气影响系数 。上述文献虽然在研究内容上有一定的前沿性，但尚缺少试验数据的支撑，研究内容还需有待深入。同时，研究内容具有片面性，仅仅考虑了某单因素对双螺杆压缩机性能影响，缺乏系统性、综合性研究。本研究以 、齿双螺杆空压机为研究对象，以衡量双螺杆压缩机性能优劣的功率、流量、比功率、压力四大重要工作参数研究内容，利用 和 软件建立 双螺杆压缩机流体域模型，采用仿真与试验相结合的研究方法，分析衡量双螺杆压缩机工作性能的功率、流量、比功率、压力四大重要参数变化规律，为进一步完善螺杆压缩机性能参数研究奠定基础。双螺杆压缩机结构组成及工作原理 结构组成双螺杆压缩机是当前压缩机市场中高效能、低噪音、可靠安全的主流产品 。工作原理双螺杆压缩机是一种两个螺旋形转子同时旋转形成一定封闭空间容积式空气压缩机械 ，其主要分为 个工作过程，吸气、压缩、排气，如图 所示。吸气过程阴阳转子做旋转运动时，阳转子齿形逐渐地脱离阴转子的齿槽，形成了一定区域的齿间封闭容积。转子持续转动齿间容积范围逐渐增大，其内部形成较大的真空域，并和吸气孔口连通，气体经吸气孔口在压差的作用下进齿间容积，直到齿间容积达到最大值时，与吸气孔口断开，齿间容积封闭，吸气过程完成。压缩过程在压缩过程中，进入螺杆压缩机腔体内的气体，被转子齿槽和机壳封闭在一个密封容积中，随着转子持续转动，齿间容积由于阴阳转子的啮合而不断减小，在腔体内的气体变成充满高温高压的状态。随着时间的变化，阴、阳转子齿间容积连通，基元容积被逐渐推移到排气口附近，容积也逐渐缩小，实现气体的压缩过程。排气过程转子继续旋转，转动啮合端面转到与机壳排气相通时，高温高压的压缩气体从排气孔口被排出，这个过程持续到齿末端的型线完全啮合时，完成排气过程。通过以上对双螺杆压缩机结构与原理的分析，为后续双螺杆压缩机流场模型的建立奠定理论基础。双螺杆压缩机流体瞬态仿真分析 双螺杆压缩机流场等效模型的建立鉴于双螺杆压缩机转子内部气体流动具有瞬态性、强旋转性和可压缩性的三维流动特征，且转子之间的尺寸间隙仅仅为微米级别的微观几何特性，为了更加客观反应出双螺杆压缩机气体真实流动情况，必须构建高精度流体模型。本研究以已知的阴阳转子型线参数数据为根据，利用专业螺杆机械型线分析前处理软件 软件建立了工作腔流体模型，结合参数化实体造型软件 绘制了进排气孔口模型，如图 所示。网格划分动网格模型可以用来模拟流场形状由于边界运动而随时间改变的问题 。双螺杆压缩机转子独特的型面结构形状，决定了双螺杆压缩机工作腔体内部流动具有空间上的复杂性，并且阴阳转子的位置图 双螺杆压缩机工作过程应用与测试 年 期（总第 期）还将随时间的变化而变化，这势必引起网格持续更新以适应转子的位置，加剧了网格划分难度。因此为了准确描述其瞬态变化特性，必须采用动网格技术解决这一问题。利用 软件中的 螺杆机械动网格生成模块，把转子型线及转子几何参数导入到几何型线编辑功能模块中，快速建立双螺杆压缩机工作腔流体域模型。其次，进入网格划分模块，采用瞬时代数网格划分方法将几何模块中创建的工作腔模型划分为 网格，并采用面网格技术手段建立 四边形网格。最后，将沿转子螺旋线的所有 网格串联起来构成双螺杆压缩机工作腔流域全 网格。该方法创建的六面体网格特别适用于强瞬变性、强旋转和强压缩性的三维复杂流动的情况，完美的解决目前工作腔流体模型构建及网格划分的困境，很大程度上避免了出现动网格负体积现象，解决了通过编写复杂的 函数定义阴、阳转方式的难题，大大提高了仿真效率与准确性。双螺杆压缩机流体网格划分流程如图 所示。进排气口属于静止区域，无需考虑动网格问题，采用 自动网格划分方法即可，双螺杆压缩机主机网格模型如图 所示。动静交互面建立由于双螺杆压缩机转子外形的不规则性，导致内部气体流动状态具有复杂多变性，为了符合双螺杆压缩机实际运行工况，真实模拟转子转动以及基元容积的变化情况，在 模型建立之后，需要对进、排气口静流体域模型与阴阳转子动流体域模型之间建立交互面，从而将运动的网格与静止的网格有机地联系起来，实现动静区域的数据交换，以便提高仿真效率和真实感，交界面形状及位置如图 所示。湍流模型最优化选择目前，中主要包含两种湍流模型：标准 模型和 模型，双由于螺杆压缩机表面曲率较大，在旋转离心力、惯性力作用下会存在一定的涡旋情况，标准 模型并不适合用。而具有低雷诺数流动、湍流漩涡类型的 模型能更好的解决双螺杆压缩机内部的气流高瞬变性和复杂型面流动问题，从而避免标准 模型带来的仿真失真的情况，对后续仿真结果的可信度和精度有一定的提升。湍流脉动模型控制方程如下所示。图 双螺杆压缩机流体域模型图 转子区域流体网格划分图 整机流体网格模型图 交界面形状及位置图 轴功率随时间变化曲线图应用与测试 年 期（总第 期）（）（）（）（）（）湍流耗散率方程 （）（）()（）（）()（）其中，（）()，槡，式中 湍流动能，（）湍流脉动速度 湍流动能耗散率，（，）应变张量，()、取值均为工程经验值，其取值如表 所示。为气体或液体压力，为湍流粘性系数，平均速度梯度湍动能。初始边界条件参数设置边界条件具有控制物体之间平面、表面或交界面的特性，在流场仿真时，流场矢量和它们的导数是都单值、有界、而且沿空间连续分布的假设下，这些表达式才可以使用，因此初始边界条件的设置显得尤为重要 。双螺杆压缩机边界条件参数设置如表 所示。数值仿真结果分析通过 软件对螺杆压缩机流场进行求解计算，当残差图中的压力、流体速度、湍流强度、温度等各变量已处于稳定范围，表明对双螺杆压缩机流体仿真结果达到守恒条件。图 为轴功率随时间变化曲线图，从图中可以直观地看出功率波动较大，且呈周期性变化，功率最大值 ，最小值 ，平均值为 。图 为流量随时间变化关系，分析发现转动一周有 个周期，阳转子为四齿螺杆，共有 个腔，所以转子旋转一圈，流量也呈现为 个周期变化，平均值 ，最小 ，最大 ，经过简单的换算得到平均流量为 图 为比功率变化曲线，通过仿真计算得到本研究对象的平均比功率 ，比功率变化曲线与流量变化具有一致性，呈周期性变化趋势。图 为双螺杆压缩机内部流体压力随时间的变化曲线，从图可以直观地发现压缩机流体域中的最大压力值约为 ，一个循环的周期时间为 ，压力变化并不是保持恒定值，出现周期性波动。试验系统试验系统主要由以下几个部分组成：（）齿螺杆压缩主机，主机需要测量的参数包括：压缩机转速值 ；扭矩值；吸气压表 工程经验值参数 表 双螺杆压缩机流体计算边界条件和初始参数设置阳转子转速（）阴转子转速（）仿真时间 旋转圈数 进口压力出口压力介质属性求解方式 理想气体瞬态图 流量时间变化曲线图图 比功率随时间变化曲线图图 压力随时间变化曲线图应用与测试 年 期（总第 期）图 变化曲线图图 变化曲线图力值；吸气温度值 ；吸气湿度值；排气压力值 ；排气温度 。（）油气分离器。需要测量的参数为分离器气体差 。（）压缩机机油气冷却器。主要功能为通过风扇转速的大小，实现对油液温度的控制。（）变频油泵油路系统。被测量的参数包括空压机喷油量大小；喷油压力值大小；喷油温度值的大小。仿真、试验、理论计算结果对比分析 仿真结果与试验结果对比分析本次测试试验数据共 组，取其平均值数组作为最终数据。由于衡量螺杆压缩机的性能主要为压力、轴功率、比功率、排量四大参数，故本次试验仅对这四大参数进行分析。引用参考文献 中差异率计算方法，分析了本研究双螺杆压缩机四大性能参数试验值与仿真值的差异，如表 所示。仿真结果与理论计算对比分析 曲线反应了螺杆压缩机内部工作过程，也是螺杆压缩机微观性能研究的重要依据，图 （）、（）分别为理论 曲线图和模拟仿真 指示图的对比情况。分析发现，模拟仿真 指示图在气体压缩阶段上升梯度较缓，这就意味着在气体压缩过程中存在着气体泄漏，引起压力不足，但是两者变化曲线基本一致，表明可以通过仿真的方法预测压缩机的性能参数。图 （）为理论计算结果，吸气阶段时间较长，转子转角在 到 之间压力始终保持平衡，在 之间，工作腔内气体开始压缩，最后排出。图 （）仿真结果分析可知，吸气速度较快，上升幅度较大，在气体排出阶段，出现一定的压力波动，这主要是在进气口起始角度值的设置所引起。吸气起始角度值较小，吸气封闭容积减小，导致在吸气起始很短的一段时间内，气体就可以快速进入腔体内部，引起局部的压力升高，这一现象是合理的。图 （）、（）分别为相同型号双螺杆压缩机理论计算、仿真模拟两种情况下压力随转角变化表 双螺杆压缩机仿真与试验数据比较仿真量仿真平均值实测值差异率功率 排气量（）比功率（）压力 应用与测试 年 期（总第 期）的曲线图。分析发现，图 （）理论计算结果吸气阶段时间较长，转子转角在 到 之间压力始终保持平衡，在 之间，工作腔内气体开始压缩，最后排出。图 （）仿真结果分析可知，吸气速度较快，上升幅度较大，在气体排出阶段，出现一定的压力波动，这主要是在进气口起始角度值的设置所引起。吸气起始角度值较小，吸气封闭容积减小，导致在吸气起始很短的一段时间内，气体就可以快速进入腔体内部，引起局部的压力升高，这一现象是合理的。结论本研究以 齿双螺杆空压机为研究对象，以衡量双螺杆压缩机性能优劣的功率、流量、比功率、压力四大重要工作参数为研究内容，利用 和 软件为研究手段，建立了双螺杆压缩机 流体域模型，采用动网格技术分析了四大工作性能参数在瞬态流场特性下的变化规律。搭建了试验平台，阐述了试验系统的工作原理，并把仿真结果与试验数据做对比分析，得到以下结论。（）仿真结果的平均压力值为 ，试验结果值 ，压力差异率为 ，表明本研究采用的研究方法和 模型建立具有合理性。（）功率仿真数据与试验数据相比较差异率为 ，排气量差异率为 ，比功率差异率为 ，差异率均小于 ，吻合度较好。表明本研究采用的模拟方法在一定程度可以代替试验，节约研制成本，缩短了研制周期。（）通过仿真得到了双螺杆压缩机 变化曲线图、变化曲线图，并分别与理论值做对比分析，发现仿真曲线与理论曲线吻合度较好，进一步验证了仿真结果的正确性，完善了目前双螺杆压缩机性能参数研究存在着单一性、缺乏系统性、综合性不足等问题，为后续对双螺杆压缩机工作性能的深入研究与结构优化提供了一种新思路。参考文献：，（）：程宝生，肖银娥，郑鹏程 螺杆空压机轴功率系数工程计算及应用研究 压缩机技术，（）：谭强 矿山气动机械耗气量与空压机容积流量的匹配关系研究 通用机械，（）：刘海芬 空气动力用螺杆压缩机市场现状透析与前景展望 通用机械，（）：王小明，田岗，罗嗣骁，等 平衡式双螺杆压缩机数值模型构建与数值模拟 机床与液压，（）：卢超 双螺杆压缩机的集成技术及应用 浙江大学，孙华文 基于非结构动网格的内燃机瞬态流场仿真 哈尔滨工程大学，段铭钰，吴承亮，黄逸哲 轴流泵全流道三维定常流场特性分析研究 装备制造技术，（）：陈文 振动液滴内部流场的 模拟和实验研究 重庆大学，江南山 双螺杆压缩机流量、功率计算和软件的开发 压缩机技术，（）：作者简介：饶静（），男，硕士研究生，助教，研究方向为机械工程。：（上接第 页）图 拉伸状态下活塞杆及十字头有限元分析图 压缩状态下活塞杆及十字头有限元分析 改造后使用效果选择装置运行的合适时机，对 活塞杆进行了相应改造，现场根据施工方案要求完成了具体实施，试机运行正常，后经过长周期运行，机组未再出现活塞杆断裂异常情况，运行稳定。参考文献：陈建国，杜培德 型氮氢气循环压缩机活塞杆断裂事故原因分析 流体机械，（）：阳巧玲 氮氢气压缩机活塞杆断裂失效分析 中氮肥，（）：陈建国，杜培德 氮氢气循环压缩机活塞杆疲劳断裂的力学分析 青岛科技大学学报（自然科学版），（）：