饒 靜，鄭 青

(信陽學(xué)院 外國語學(xué)院，河南 信陽 464000)

1 引言

雙螺桿壓縮機(jī)憑借著動(dòng)力平衡性好、返修率低、壽命長、有良好的輸氣量等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用在石化、能源、冶金、電力、制藥等領(lǐng)域[1]。目前部分學(xué)者主要研究集中在雙螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)方面，在雙螺桿壓縮機(jī)主機(jī)宏觀結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)方面研究者甚少。目前在雙螺桿壓縮機(jī)排氣過程中，隨著排氣孔口開度面積的迅速增加和壓縮容積的減小，工作腔內(nèi)的氣體開始向排氣孔口流動(dòng)，這種壓縮容積周期性的變化，必然引起速度和壓力產(chǎn)生周期性的變化，形成排氣氣流脈動(dòng)性較強(qiáng)。因此排氣孔口形狀設(shè)計(jì)的合理性顯得尤為重要。

本研究為實(shí)現(xiàn)雙螺桿壓縮機(jī)排氣孔口排氣面積最大化、氣流流道沿程阻力損失小的目標(biāo)，在遵循排氣孔口設(shè)計(jì)條件的前提下，對雙螺桿壓縮機(jī)排氣孔口進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，力求減小出口壓力波動(dòng)，最后以試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)為依據(jù)，將排氣孔口改進(jìn)前后的數(shù)值仿真模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了排氣孔口改進(jìn)后的可行性與可靠性。

2 雙螺桿壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)組成

螺桿壓縮機(jī)是一種具有2個(gè)平行配置并相互嚙合的螺旋形轉(zhuǎn)子在機(jī)殼內(nèi)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的容積氣體壓縮類機(jī)械[2-3]。機(jī)頭作為機(jī)組中最重要的部件，主要由機(jī)殼、陰陽轉(zhuǎn)子、油封、軸承等零件組成。

3 排氣孔口的參數(shù)化建模及改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 雙螺桿壓縮機(jī)排氣孔口的參數(shù)化建模

排氣孔口的位置布置和結(jié)構(gòu)形狀對雙螺桿壓縮機(jī)的軸功率、排氣量、內(nèi)壓比具有一定影響 ，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證氣體在齒間容積內(nèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的內(nèi)壓縮率。

(1)排氣起始角

排氣起始角數(shù)值大小，均通過吸氣角度α1s數(shù)值大小的范圍，以及內(nèi)壓縮轉(zhuǎn)角數(shù)值φ1c保證。陽轉(zhuǎn)子排氣角度α1d為

(1)

A0--齒間面積

ε--內(nèi)容積

τ1z--扭轉(zhuǎn)角

a1d=β+τ1z-φ1c-Δφ

(2)

根據(jù)齒間容積同時(shí)排氣和吸氣的工作原理，可得陰轉(zhuǎn)子排氣口起始角度值

(3)

由上述公式計(jì)算得陽轉(zhuǎn)子排氣起始角度值44°，陰轉(zhuǎn)子97°。

基于上述計(jì)算結(jié)果，對雙螺桿壓縮機(jī)排氣口的形狀和位置進(jìn)行繪制排氣口主要由1-2-3-4-5-6-7-8-1幾段曲線連接而成，其中曲線段1-8、3-4為別為陰、陽轉(zhuǎn)子齒間容積前方齒的背段型線[2]。曲線段5-6-7為陰、陽轉(zhuǎn)子型線的高壓側(cè)嚙合線形狀，曲線段7-8、4-5分別為陰、陽轉(zhuǎn)子型線的齒根直徑，1-2-3是與型腔內(nèi)圓周壁相重合。在考慮到實(shí)際制造工藝上的需求，用一小段圓弧代替6處的尖點(diǎn)形狀，如圖1所示。

3.2 排氣孔口結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.2.1 排氣孔口處氣流脈動(dòng)形成機(jī)理

雙螺桿壓縮機(jī)排氣孔口位置和形狀布置的可靠性，是保證氣體實(shí)現(xiàn)充分內(nèi)壓縮和減小排氣阻力的必須考慮的情況，也是判斷雙螺桿壓縮機(jī)是否高效可靠的必要條件[5-7]。從圖2分析發(fā)現(xiàn)排氣孔口變化形狀并不規(guī)則，并且隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)排氣口面積將不斷變化。這種不規(guī)則連通面積的循環(huán)、瞬態(tài)變化特點(diǎn)，必然使壓縮氣流產(chǎn)生較大的氣流紊亂現(xiàn)象，引起異常的流體振動(dòng)。因此，對雙螺桿壓縮機(jī)排氣孔口進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，力求減小出口壓力波動(dòng)是必要的。

圖2 轉(zhuǎn)動(dòng)一周排氣孔口形狀變化圖

3.2.2 排氣孔口結(jié)構(gòu)改進(jìn)

雙螺桿壓縮機(jī)是通過轉(zhuǎn)子螺旋齒面與氣缸內(nèi)壁面所構(gòu)成的V形齒間基元容積作周期性地變化進(jìn)行壓縮，在壓縮過程中齒間封閉容積由大變小時(shí)，氣體受到擠壓，導(dǎo)致壓力沖擊波動(dòng)較大、溫度上升梯度較快的現(xiàn)象出現(xiàn)。在圖3(a)排氣孔口改進(jìn)前，曲線段1-2-3為陰陽轉(zhuǎn)子外圓曲線，在交點(diǎn)2處呈現(xiàn)尖點(diǎn)，曲線段5-6-7為型線高壓側(cè)嚙合線形狀，在點(diǎn)6處出現(xiàn)尖點(diǎn)，這2處氣流排出通道截面的不規(guī)則性，勢必會引起排氣壓力波動(dòng)及氣體流動(dòng)損失增加。

圖3 螺桿壓縮機(jī)排氣孔口結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為了降低排氣口附近氣流脈動(dòng)誘發(fā)的氣動(dòng)噪聲，使氣體迅速、完全、徹底排，對雙螺桿壓縮機(jī)排氣孔口進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的曲線段1-2-3處改進(jìn)設(shè)計(jì)為矩形槽形狀，將其設(shè)計(jì)為如圖3(b)排氣孔口改進(jìn)后，其目的是降低氣流流速，增大排氣口氣流緩沖容積，從而消除封閉狀態(tài)。

4 雙螺桿壓縮機(jī)流場特性分析

4.1 建立3D流體仿真模型

建立高精度雙螺桿壓縮機(jī)流場仿真模型是研究其內(nèi)部流場動(dòng)態(tài)特性的關(guān)鍵之處。為有效模擬雙螺桿螺桿壓縮機(jī)吸氣-壓縮-排氣運(yùn)行狀態(tài)，利用本文中的已知的陰陽轉(zhuǎn)子型線參數(shù)及改進(jìn)設(shè)計(jì)后的排氣口結(jié)構(gòu)模型分別構(gòu)造工作腔、進(jìn)氣孔口、排氣孔口三大流體域模型[8]，如圖4所示。

4.2 網(wǎng)格劃分

考慮到雙螺桿壓縮腔體流體域?yàn)閺?fù)雜異面，為提高仿真的計(jì)算效率和結(jié)果的準(zhǔn)確性，本研究采用Scorg軟件可以很方便的對螺桿機(jī)械轉(zhuǎn)子域部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，快速實(shí)現(xiàn)雙螺桿機(jī)械的高質(zhì)量網(wǎng)格生成和動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置，極大提高了網(wǎng)格生成效率，降低CFD分析的難度，轉(zhuǎn)子區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 排氣孔口監(jiān)測點(diǎn)位置圖

4.3 邊界條件和初始參數(shù)設(shè)置

由于雙螺桿壓縮機(jī)內(nèi)部呈非定常流動(dòng)性、周期性變化的特點(diǎn)，以及動(dòng)靜網(wǎng)格嵌套的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)邊界問題，對流體在流場內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行初始參數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)后續(xù)仿真結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，設(shè)置參數(shù)如表1所示。

表1 初始邊界條件參數(shù)設(shè)置

4.4 排氣孔口結(jié)構(gòu)改進(jìn)仿真結(jié)果對比分析

為了捕捉出口處瞬態(tài)變化特性，提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在兩種排氣孔口相同位置分別建立了動(dòng)態(tài)監(jiān)測點(diǎn)，如圖5(a)、(b)所示。

排氣孔口改進(jìn)前后壓力、速度變化仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 排氣孔口改進(jìn)前后壓力、速度變化曲線圖

引用文獻(xiàn)[10]中“壓力脈動(dòng)不均勻度”計(jì)算方法，得到排氣孔口改進(jìn)前后壓力脈動(dòng)不均勻度計(jì)算值，對比發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后壓力波動(dòng)幅值減弱，改進(jìn)前出口平均壓力值為0.79927 MPa，壓力脈動(dòng)不均勻度為0.5261，改進(jìn)后平均壓力值為0.799416 MPa，脈動(dòng)不均勻度為0.41，其平均壓力值有所增大，壓力脈動(dòng)不均勻度卻減小11.6%。假設(shè)速度波動(dòng)幅值定義為最大值與最小值的比值，比值越大，則波動(dòng)幅值越大。改進(jìn)前出口平均速度值為-10.1572 m/s，速度波動(dòng)幅值6.01562，改進(jìn)后出口平均速度值為-2.72796 m/s，速度波動(dòng)幅值值為4.52，改進(jìn)后速度減小了7.43 m/s，速度波動(dòng)量降低1.49。表明本研究排氣孔口結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)具有合理性。

4.5 仿真結(jié)果與試驗(yàn)對比分析

為確保試驗(yàn)測結(jié)果更加具有可靠性，在雙螺桿壓縮機(jī)排氣孔口上端垂直方向布置對應(yīng)的工藝孔，作為壓力傳感器安裝處。對比結(jié)果表明，壓力模擬仿真數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)吻合度較好，表面雙螺桿壓縮機(jī)排氣孔口改進(jìn)方法具有一定的可行性(圖7)。

圖7 改進(jìn)前后試驗(yàn)結(jié)果對比圖

5 結(jié)論

(1)以雙螺桿壓縮機(jī)宏觀結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，針對排氣孔口存在氣流脈動(dòng)誘發(fā)的氣動(dòng)噪聲問題，依據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對雙螺桿壓縮機(jī)排氣孔口進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，經(jīng)過仿真對比計(jì)算發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后整機(jī)壓力值不變，壓力脈動(dòng)不均勻度減小，速度波動(dòng)量明顯降低，表明本排氣孔口結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法具有可行性。

(2)以試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)為依據(jù)，將數(shù)值仿真模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)進(jìn)行對比，得到了雙螺桿壓縮出口壓力等測試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，進(jìn)一步驗(yàn)證了驗(yàn)證雙螺桿壓縮機(jī)的可靠性，研究結(jié)果對后續(xù)螺桿壓縮機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的理論支撐。