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雙螺桿空氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)
前 言
雙螺桿壓縮機(jī)屬于回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)。回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)是一種工作容積作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的容積式氣體壓縮機(jī)械。氣體的壓縮是通過(guò)容積的變化來(lái)實(shí)現(xiàn),而容積的變化又是借壓縮機(jī)的一個(gè)或幾個(gè)轉(zhuǎn)子在氣缸里作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到?;剞D(zhuǎn)式壓縮機(jī)的工作容積不同于往復(fù)式壓縮機(jī),它除了周期性地?cái)U(kuò)大和縮小外,其空間位置也在變更。
回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)靠容積的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮,這一點(diǎn)與往復(fù)式壓縮機(jī)相同,它們都屬于容積式壓縮機(jī);回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的主要機(jī)件(轉(zhuǎn)子)在氣缸內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),這一點(diǎn)又與速度式壓縮機(jī)相同。所以,回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)同時(shí)兼有上述兩類機(jī)器的特點(diǎn)。
回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)沒(méi)有往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),一般沒(méi)有氣閥,零部件(特別是易損件)少,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊,因而制造方便,成本低廉;同時(shí),操作簡(jiǎn)便,維修周期長(zhǎng),易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的排氣量與排氣壓力幾乎無(wú)關(guān),與往復(fù)式壓縮機(jī)一樣,具有強(qiáng)制輸氣的特征。
回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)件的動(dòng)力平衡性良好,故壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)高、基礎(chǔ)小。這一優(yōu)點(diǎn),在移動(dòng)式機(jī)器中尤為明顯。
回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)高,它可以和高速原動(dòng)機(jī)(如電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、蒸汽輪機(jī)等)直接相聯(lián)。高轉(zhuǎn)數(shù)帶來(lái)了機(jī)組尺寸小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),在轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周之內(nèi),通常有多次排氣過(guò)程,所以它輸氣均勻、壓力脈動(dòng)小,不需設(shè)置大容量的儲(chǔ)氣罐。
回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的適應(yīng)性強(qiáng),在較大的工況范圍內(nèi)保持高效率。排氣量小時(shí),不像速度式壓縮機(jī)那樣會(huì)產(chǎn)生喘振現(xiàn)象。
在某些類型的回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)(如羅茨鼓風(fēng)機(jī)、螺桿式壓縮機(jī))中,運(yùn)動(dòng)機(jī)件相互之間,以及運(yùn)動(dòng)機(jī)件與固定機(jī)件之間,并不直接接觸,在工作容積的周壁上無(wú)需潤(rùn)滑,可以保證氣體的潔凈,做到絕對(duì)無(wú)油的壓送氣體(這類機(jī)器成為無(wú)油回轉(zhuǎn)壓縮機(jī))。同時(shí),由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)件之間存在間隙以及沒(méi)有氣閥,故它能壓送污濁和帶液滴、含粉塵的氣體。
但是,回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)也有它的缺點(diǎn),這些缺點(diǎn)是:
由于轉(zhuǎn)數(shù)較高,加之工作容積與吸排氣孔口周期性地相通、切斷,產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的空氣動(dòng)力噪聲,其中螺桿式壓縮機(jī)、羅茨鼓風(fēng)機(jī)尤為突出,若不采取消音措施,即不能被用戶所利用。
許多回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī),如螺桿式、羅茨式、轉(zhuǎn)子式等,運(yùn)動(dòng)機(jī)件表面多呈曲面形狀,以其嚙合運(yùn)動(dòng)使工作容積改變,這些曲面的加工及其校驗(yàn)均較復(fù)雜,有的還需使用專用設(shè)備。
回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)工作容積的周壁,大多不是圓柱形,使運(yùn)動(dòng)機(jī)件之間或運(yùn)動(dòng)機(jī)件與固定機(jī)件之間的密封問(wèn)題較難滿意解決,通常僅以其間保持一定的運(yùn)動(dòng)間隙達(dá)到密封,氣體通過(guò)間隙勢(shì)必產(chǎn)生泄漏,這就限制了回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)難以達(dá)到較高的終了壓力。
回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的形式和結(jié)構(gòu)類型較多,分類也各有不同。
按轉(zhuǎn)子的數(shù)量區(qū)分:?jiǎn)无D(zhuǎn)子和雙轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī),個(gè)別情況下還有多轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī);
按氣體壓縮的方式區(qū)分:有內(nèi)壓縮和無(wú)內(nèi)壓縮回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī);
按工作容積是否有油(液)區(qū)分:有無(wú)油(液)和噴油(液)回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)。
通常都按結(jié)構(gòu)元件的特征區(qū)分和命名,目前廣為使用的有羅茨鼓風(fēng)機(jī)、滑片式壓縮機(jī)和螺桿式壓縮機(jī)。此外,單螺桿壓縮機(jī)、液環(huán)式壓縮機(jī)、偏心轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)以及旋轉(zhuǎn)活塞式壓縮機(jī)等在不同領(lǐng)域內(nèi)也得到應(yīng)用。
上述各種回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī),除羅茨鼓風(fēng)機(jī)屬無(wú)內(nèi)壓縮的機(jī)器外,其余均是有內(nèi)壓縮的機(jī)器。
雙螺桿壓縮機(jī)是一種很年輕的壓縮機(jī)型,在最近二十五年才發(fā)展成熟,形成系列化。約在一百多年前,人們已經(jīng)知道雙螺桿壓縮機(jī)的工作原理,但類似今天設(shè)計(jì)的雙螺桿壓縮機(jī)的誕生日,則應(yīng)該是在1934年,SRM工廠的總工程師A?利斯霍爾姆(A?Lysholm)的專利出現(xiàn)的時(shí)候。后來(lái),又發(fā)明了圓弧形齒,非對(duì)稱齒形SRM和今天的第四代節(jié)能型。
回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)大多作為中、小排氣量,中、低壓壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)之用。目前,回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)在冶金、化工、石油、交通運(yùn)輸、機(jī)械制造以及建筑工程等工業(yè)部門得到廣泛的應(yīng)用;隨著人民生活水平的逐步提高,在耐用消費(fèi)品中也將得到廣泛的應(yīng)用。
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1 選題背景
1.1 研究雙螺桿壓縮機(jī)的目的和意義
本設(shè)計(jì)題目來(lái)源是自選科研。本課題主要是設(shè)計(jì)通用的噴油雙螺桿空氣壓縮機(jī)。在深刻理解前人研究的理論基礎(chǔ)上,在給定設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求的條件下,研究雙螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子型線、幾何特性、工作過(guò)程、受力分析及轉(zhuǎn)子的加工,以進(jìn)一步提高雙螺桿壓縮機(jī)的機(jī)械性能。設(shè)計(jì)新型轉(zhuǎn)子型線,使接觸線長(zhǎng)度、泄漏三角形面積和封閉余隙容積3者達(dá)到最優(yōu)化。利用自備砂輪修正器的轉(zhuǎn)子專用數(shù)控磨床,快速加工出新型線的轉(zhuǎn)子,使轉(zhuǎn)子的精度和表面粗糙度預(yù)計(jì)超過(guò)現(xiàn)有的值。設(shè)計(jì)吸氣孔口的形狀和合理位置,來(lái)提高壓縮機(jī)效率。同時(shí),研究型線和孔口配置等因素對(duì)噪聲的影響指標(biāo),從而更有效地降低噪聲。通過(guò)設(shè)計(jì)雙螺桿壓縮機(jī),可以了解雙螺桿壓縮機(jī)的發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向;深入理解雙螺桿壓縮機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、主要零部件設(shè)計(jì)選型、主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì);重點(diǎn)研究的是雙螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子型線、幾何特性、工作過(guò)程、受力分析、轉(zhuǎn)子加工和主要設(shè)計(jì)參數(shù)的確定。通過(guò)設(shè)計(jì),能了解設(shè)計(jì)的一般要求和規(guī)則,能將理論知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系起來(lái)。
雙螺桿壓縮機(jī)是一種比較新穎的壓縮機(jī),因其可靠性高、操作維修方便、動(dòng)力平衡性好、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),而廣泛地應(yīng)用于礦山、化工、動(dòng)力、冶金、建筑、機(jī)械、制冷等工業(yè)部門。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,螺桿壓縮機(jī)的銷售量已占所有容積式壓縮機(jī)銷售總量的80%以上,在所有正在運(yùn)行的容積式壓縮機(jī)中,有50%是螺桿壓縮機(jī),今后螺桿壓縮機(jī)的市場(chǎng)份額仍將不斷擴(kuò)大??梢钥闯觯輻U壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)研究在工業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的意義。通過(guò)本設(shè)計(jì),可以充分了解雙螺桿壓縮機(jī)的有關(guān)知識(shí),以及如何進(jìn)一步改善其性能和擴(kuò)大其應(yīng)用范圍,使雙螺桿壓縮機(jī)能得到更好的發(fā)展,為生產(chǎn)和生活服務(wù)。可以將所學(xué)理論知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系起來(lái),并積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn),為以后的工作打下了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
1.2 雙螺桿壓縮機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用前景
1.2.1.雙螺桿壓縮機(jī)的特點(diǎn)
就氣體壓力提高的原理而言,螺桿壓縮機(jī)與活塞壓縮機(jī)相同,都屬于容積式壓縮機(jī)。就主要部件的運(yùn)動(dòng)形式而言,又與透平壓縮機(jī)相似。所以,螺桿壓縮機(jī)同時(shí)兼有上述兩類機(jī)器的特點(diǎn)。
(1)螺桿壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)如下:
1)可靠性高。螺桿壓縮機(jī)零部件少,沒(méi)有易損件,因而它運(yùn)轉(zhuǎn)可靠,壽命長(zhǎng),大修間隔期可達(dá)4-8萬(wàn)h.
2)操作維護(hù)方便。螺桿壓縮機(jī)自動(dòng)化程度高,操作人員不必經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的專業(yè)培訓(xùn),可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守運(yùn)轉(zhuǎn)。
3)動(dòng)力平衡好。螺桿壓縮機(jī)沒(méi)有不平衡慣性力,機(jī)器可平穩(wěn)地高速工作,可實(shí)現(xiàn)無(wú)基礎(chǔ)運(yùn)轉(zhuǎn),特別適合用作移動(dòng)式壓縮機(jī),體積小、重量輕、占地面積少。
4)適應(yīng)性強(qiáng)。螺桿壓縮機(jī)具有強(qiáng)制輸氣的特點(diǎn),容積流量幾乎不受排氣壓力的影響,在寬廣的范圍內(nèi)能保持較高的效率,在壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)不作任何改變的情況下,適用于多種共質(zhì)。
5)多相混輸。螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子齒面間實(shí)際上留有間隙,因而能耐液體沖擊,可輸送含液氣體、含粉塵氣體、易聚合氣體等。
(2)螺桿壓縮機(jī)的主要缺點(diǎn):
1)造價(jià)高。由于螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子齒面是一空間曲面,需利用特制的刀具在價(jià)格昂貴的專用設(shè)備上進(jìn)行加工。另外,對(duì)螺桿壓縮機(jī)氣缸的加工精度也有較高的要求。
2)不能用于高壓場(chǎng)合。由于受到轉(zhuǎn)子剛度和軸承壽命等方面的限制,螺桿壓縮機(jī)只能用于中、低壓范圍,排氣壓力一般不超過(guò)3MPa。
3)不能用于微型場(chǎng)合。螺桿壓縮機(jī)依靠間隙密封氣體,目前一般只有容積流量大于0.2m3/min時(shí),螺桿壓縮機(jī)才具有優(yōu)越的性能。
1.2.2.雙螺桿壓縮機(jī)的應(yīng)用前景
(1) 噴油螺桿空氣壓縮機(jī)
動(dòng)力用的噴油螺桿壓縮機(jī)已系列化,一般都是在大氣壓力下吸入氣體,單級(jí)排氣壓力有0.7 MPa、1.0MPa和1.3 MPa(表壓)等不同形式。少數(shù)用于驅(qū)動(dòng)大型風(fēng)鉆的兩級(jí)壓縮機(jī),排氣壓力可達(dá)到2.5 MPa(表壓)。此類壓縮機(jī)目前的容積流量范圍為0.2-100m3/min,越來(lái)越被用到對(duì)空氣品質(zhì)要求非常高的應(yīng)用場(chǎng)合,如食品、醫(yī)藥及棉紡企業(yè),占據(jù)了許多原屬無(wú)油壓縮機(jī)的市場(chǎng)。
(2)噴油螺桿制冷壓縮機(jī)
目前,半封閉和全封閉式螺桿制冷壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于住宅和商用樓房的中央空調(diào)系統(tǒng),產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)開啟式。此外,螺桿制冷壓縮機(jī)還用于工業(yè)制冷、食品冷凍、冷藏,以及各種交通運(yùn)輸工具的制冷裝置。
在環(huán)境溫度下工作時(shí),單級(jí)螺桿制冷壓縮機(jī)可達(dá)-25℃的蒸發(fā)溫度,采用經(jīng)濟(jì)器或雙級(jí)壓縮,可達(dá)-40℃的蒸發(fā)溫度。既能供冷又能供暖的冷熱兩用螺桿機(jī)組,近年發(fā)展很快。目前螺桿制冷壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)工況下制冷量范圍為10-2500KW。
(3) 噴油螺桿工藝壓縮機(jī)
噴油螺桿工藝壓縮機(jī)的工作壓力由工藝流程確定,單級(jí)壓力比可達(dá)10,排氣壓力通常小于4.5MPa,但可高達(dá)9MPa,容積流量范圍為1-200 m3/min。
(4) 干式螺桿壓縮機(jī)
目前一般干式螺桿壓縮機(jī)的單級(jí)壓力比為1.5-3.5,雙級(jí)壓力比可達(dá)8-10,容積流量為3-500m3/min。
(5) 噴水螺桿壓縮機(jī)
使噴入的水與潤(rùn)滑油隔開,用于一些可能發(fā)生聚合反應(yīng)的氣體,向壓縮機(jī)入口噴入適當(dāng)?shù)娜軇?,以沖掉這些化合物。
(6) 其他螺桿機(jī)械
螺桿壓縮機(jī)可作為油、氣、水多相流混輸泵使用,也可作為真空泵使用單級(jí)真空度可達(dá)98%,能耗較其他類型真空泵低20%-50%。此外,螺桿機(jī)械還可作為膨脹機(jī)。
1.3 國(guó)內(nèi)外雙螺桿壓縮機(jī)研究的進(jìn)展
螺桿壓縮機(jī)的螺桿齒形發(fā)展體現(xiàn)在以下四個(gè)階段:第一代為L(zhǎng)ysholm齒形,主要線段由點(diǎn)生成擺線組成,限于當(dāng)年加工條件,主要用于無(wú)油螺桿壓縮機(jī);第二代為1964年的對(duì)稱圓弧齒形,4+6齒,主要線段由圓弧和與之嚙合的圓弧包絡(luò)線組成,動(dòng)力用螺桿壓縮機(jī)為主要應(yīng)用對(duì)象;第三代為非對(duì)稱齒形SRM,4+6齒,主要線段由生成擺線和圓弧包絡(luò)線組成,其效率較第二代提高10%,廣泛用于噴油和無(wú)油螺桿壓縮機(jī);第四代,1982年后以SRM-D齒形為代表,5+6齒,4+5齒,5+7齒,主要線段為線生成式曲線,無(wú)尖點(diǎn),凡第四代齒形均為節(jié)能型。
近年來(lái),人們逐漸對(duì)內(nèi)部進(jìn)行噴油的雙螺桿壓縮機(jī)產(chǎn)生了興趣。由于精密的專用數(shù)控轉(zhuǎn)子加工銑床和磨床已經(jīng)使任何型線的加工變得很方便,大量的研究工作在型線方面。其次陰、陽(yáng)螺桿齒數(shù)從6:4發(fā)展到6:5。
日本的神鋼與日立公司,在將近50年的時(shí)間里不斷成功地開發(fā)出了節(jié)能明顯的各種系列螺桿壓縮機(jī)。從某種程度而言,日本的空壓機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展代表了當(dāng)今世界空壓機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向。
雙螺桿壓縮機(jī)在我國(guó)的發(fā)展歷程較短,是一種比較新穎的壓縮機(jī),但其發(fā)展很快。目前,我國(guó)的噴油內(nèi)冷卻的動(dòng)力用雙螺桿壓縮機(jī)比功率已達(dá)5.56KW( /min),已超過(guò)國(guó)外產(chǎn)品最好的比功率5.54KW( /min)。封閉式螺桿空壓機(jī)噪聲可達(dá)60-85dB(A),國(guó)外螺桿壓縮機(jī)無(wú)故障運(yùn)行在7* h,國(guó)內(nèi)螺桿壓縮機(jī)壽命可達(dá)4* h。西安交大刑子文教授開發(fā)的“SCCAD”螺桿設(shè)計(jì)計(jì)算軟件,已轉(zhuǎn)交給多家海內(nèi)外企業(yè)應(yīng)用。螺桿壓縮機(jī)在國(guó)外占據(jù)80%以上移動(dòng)式空壓機(jī)市場(chǎng),國(guó)內(nèi)市場(chǎng)因柴油機(jī)方面的原因占份額不大,只有外資產(chǎn)品占有較少市場(chǎng),螺桿空氣壓縮機(jī)占螺桿壓縮機(jī)總量的85%,制冷空調(diào)方面螺桿壓縮機(jī)約占12%??梢哉f(shuō),我國(guó)的個(gè)別企業(yè)的螺桿壓縮機(jī)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
今后螺桿壓縮機(jī)的市場(chǎng)份額仍將不斷擴(kuò)大,特別是無(wú)油螺桿空氣壓縮機(jī)和各類螺桿工藝壓縮機(jī),會(huì)獲得更快的發(fā)展。目前,有人開始研究?jī)陕輻U嚙合過(guò)程中磨損問(wèn)題和潤(rùn)滑油在齒面上的分布,以提高轉(zhuǎn)子壽命。有文獻(xiàn)報(bào)道已可做到無(wú)磨損嚙合。在制冷中,對(duì)于Co 作制冷劑的跨臨界循環(huán),用螺桿壓縮機(jī)與螺桿膨脹機(jī)組成一體的機(jī)組已經(jīng)被開發(fā)。未來(lái)主要是進(jìn)一步提高螺桿壓縮機(jī)的性能,擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。
1.4 雙螺桿壓縮機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理
1.4.1.基本結(jié)構(gòu)
通常所稱的螺桿壓縮機(jī)指的是雙螺桿壓縮機(jī)。雙螺桿壓縮機(jī)的發(fā)展歷程較短,是一種比較新穎的壓縮機(jī)。
雙螺桿壓縮機(jī)是一種容積式的回轉(zhuǎn)機(jī)械。由一對(duì)陰、陽(yáng)螺桿,一個(gè)殼體與一對(duì)端蓋組成。在倒“8”形的氣缸中,平行地配置著一對(duì)相互嚙合的螺旋形轉(zhuǎn)子,分別稱為陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子。它們和機(jī)體之間構(gòu)成一個(gè)“V”字形的一對(duì)密封的齒槽空間隨著轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)而逐漸變小,并且其位置在空間也不斷從吸氣口向排氣口移動(dòng),從而完成吸氣-壓縮-排氣的全部過(guò)程。
一般陽(yáng)轉(zhuǎn)子與原動(dòng)機(jī)連接,由陽(yáng)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。在壓縮機(jī)機(jī)體的兩端,分別開設(shè)一定形狀和大小的孔口。一個(gè)供吸氣用,稱作吸氣孔口;另一個(gè)供排氣用,稱作排氣孔口。雙螺桿壓縮機(jī)的總體結(jié)構(gòu)見圖1。
1.4.2.工作原理
螺桿壓縮機(jī)的工作循環(huán)可分為吸氣、壓縮和排氣三個(gè)過(guò)程。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),每對(duì)相互嚙合的齒相繼完成相同的工作循環(huán),這里只研究其中一對(duì)齒。
(1) 吸氣過(guò)程
圖2示出的螺桿壓縮機(jī)的吸氣過(guò)程,所討論的一對(duì)齒用箭頭標(biāo)出,陽(yáng)轉(zhuǎn)子按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),陰轉(zhuǎn)子按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),圖中的轉(zhuǎn)子端面是吸氣端面。機(jī)殼上有特定形狀的吸氣孔口如圖2粗實(shí)線所示。
圖2 雙螺桿壓縮機(jī)的吸氣過(guò)程
a)吸氣過(guò)程即將開始 b)吸氣過(guò)程中 c)吸氣過(guò)程結(jié)束
圖2(a)示出的是吸氣過(guò)程即將開始時(shí)的轉(zhuǎn)子位置。在這一時(shí)刻,這一對(duì)齒前端的型線完全嚙合,且即將與吸氣孔口連通。
隨著轉(zhuǎn)子開始運(yùn)動(dòng),由于齒的一端逐漸脫離嚙合而形成齒間容積,這個(gè)齒間容積的擴(kuò)大,在其內(nèi)部形成了一定的真空,而此齒間容積又僅與吸氣口連通,因此氣體便在壓差作用下流入其中,如圖2(b)中陰影部分所示。在隨后的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒不斷從陰轉(zhuǎn)子的齒槽中脫離出來(lái),齒間容積不斷擴(kuò)大,并與吸氣孔口保持連通。
吸氣過(guò)程結(jié)束時(shí)的轉(zhuǎn)子位置如圖2(c)所示,其最顯著的特征是齒間容積達(dá)到最大值,隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn),所研究的齒間容積不會(huì)再增加。齒間容積在此位置與吸氣孔口斷開,吸氣過(guò)程結(jié)束。
(2) 壓縮過(guò)程
a)吸氣過(guò)程即將開始 b)吸氣過(guò)程中 c)吸氣過(guò)程結(jié)束、排氣過(guò)程即將開始
圖3示出螺桿壓縮機(jī)的壓縮過(guò)程。這是從上面看相互嚙合的轉(zhuǎn)子,圖中的轉(zhuǎn)子端面是排氣端面,機(jī)殼上的排氣孔口如圖中粗實(shí)線所示。在這里,陽(yáng)轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),陰轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。
圖3 雙螺桿壓縮機(jī)的壓縮過(guò)程
圖3(a)示出壓縮過(guò)程即將開始時(shí)的轉(zhuǎn)子位置。
隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn),齒間容積由于轉(zhuǎn)子齒的嚙合而不斷減少。被密封在容積中的氣體所占據(jù)的體積也隨之減少,導(dǎo)致壓力升高,從而實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮過(guò)程,圖3(b)。壓縮過(guò)程可一直持續(xù)到齒間容積即將與排氣孔口連通之前。
(3) 排氣過(guò)程
圖4 雙螺桿壓縮機(jī)的排氣過(guò)程
a)排氣過(guò)程中 b)排氣過(guò)程結(jié)束
圖4示出螺桿壓縮機(jī)的排氣過(guò)程。齒間容積與排氣孔口連通后,即開始排氣過(guò)程。隨著齒間容積的不斷縮小,具有排氣壓力的氣體逐漸通過(guò)排氣孔口被排出,圖4(a)。這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到齒末端的型線完全嚙合,圖4(b) 。此時(shí),齒間容積內(nèi)的氣體通過(guò)排氣孔口被完全排出,封閉的齒間容積變?yōu)榱恪?
2 雙螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)
2.1 轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)原則
2.1.1.轉(zhuǎn)子型線及其要素
螺桿壓縮機(jī)最關(guān)鍵的是一對(duì)相互嚙合的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子的齒面與轉(zhuǎn)子軸線垂直面的截交線稱為轉(zhuǎn)子型線。
對(duì)于螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線的要求,主要是在齒間容積之間有優(yōu)越的密封性能,因?yàn)檫@些齒間容積是實(shí)現(xiàn)氣體壓縮的工作腔。對(duì)螺桿壓縮機(jī)性能有重大影響的轉(zhuǎn)子型線要素有接觸線、泄漏三角形、封閉容積和齒間面積等。
(1)接觸線 。螺桿壓縮機(jī)的陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子嚙合時(shí),兩轉(zhuǎn)子齒面相互接觸而形成的空間曲線稱為接觸線。如果轉(zhuǎn)子齒面間的接觸連續(xù),則處在高壓力區(qū)內(nèi)的氣體將通過(guò)接觸線中斷缺口,向低壓力區(qū)泄漏。
陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子型線嚙合時(shí)的嚙合點(diǎn)軌跡,稱為嚙合線。嚙合線實(shí)質(zhì)是接觸線在轉(zhuǎn)子端面上的投影。顯然接觸線連續(xù),意味著嚙合線應(yīng)該是一條連續(xù)的封閉曲線。
(2)泄漏三角形 。在接觸線頂點(diǎn)和機(jī)殼的轉(zhuǎn)子氣缸孔之間,會(huì)形成一個(gè)空間曲邊三角形,稱為泄漏三角形。若嚙合線頂點(diǎn)距陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒頂圓的交點(diǎn)較遠(yuǎn),則說(shuō)明泄漏三角形面積較大。
(3)封閉容積 。如果在齒間容積開始擴(kuò)大時(shí),不能立即開始吸氣過(guò)程,就會(huì)產(chǎn)生吸氣封閉容積。吸氣封閉容積的存在,影響了齒間容積的正常充氣。從轉(zhuǎn)子型線可定性看出封閉容積的大小。
(4)齒間面積 。它是齒間容積在轉(zhuǎn)子端面上的投影。轉(zhuǎn)子型線的齒間面積越大,轉(zhuǎn)子的齒間容積就越大。
2.1.2.轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)原則
(1) 滿足嚙合要求。螺桿壓縮機(jī)的陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子型線必須是滿足嚙合定律的共軛型線。
(2) 形成長(zhǎng)度較短的連續(xù)接觸線。為了盡可能減少氣體通過(guò)間隙帶的泄漏,要求設(shè)法縮短轉(zhuǎn)子間的接觸線長(zhǎng)度。
(3)應(yīng)形成較小面積的泄漏三角形。
(4)應(yīng)使封閉容積較小。吸氣封閉容積導(dǎo)致壓縮機(jī)功耗增加、效率降低、噪聲增大。所以轉(zhuǎn)子型線應(yīng)使封閉容積盡可能小地。
(5)齒間面積盡量大。較大的齒間面積使泄漏量占的份額相對(duì)減少,效率得到提高。
2.2 型線方程和嚙合線方程
2.2.1.坐標(biāo)系建立及坐標(biāo)變換
(1)坐標(biāo)系建立
為了用數(shù)學(xué)方程描述螺桿型線中各段組成齒曲線,建立如圖5所示的四個(gè)坐標(biāo)系:
圖5 坐標(biāo)系關(guān)系圖
1)固結(jié)在陽(yáng)轉(zhuǎn)子的動(dòng)坐標(biāo)系
2)固結(jié)在陰轉(zhuǎn)子的動(dòng)坐標(biāo)系。
3)陽(yáng)轉(zhuǎn)子的靜坐標(biāo)系。
4)陰轉(zhuǎn)子的靜坐標(biāo)系。
由于螺桿壓縮機(jī)的陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子之間是定傳動(dòng)比嚙合,故有:
(1)
式中,φ2、φ1為陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角;n2、n1為陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;ω2、ω1 為陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子角速度;R2t、R1t為陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子節(jié)圓半徑;z2、z1為陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒數(shù);i為傳動(dòng)比; A為陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子中心距。
2)坐標(biāo)變換
螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線上的每一點(diǎn),都可以表示在上述四個(gè)坐標(biāo)系中,這些坐標(biāo)之間的變換關(guān)系式如下:
a) 動(dòng)坐標(biāo)系與靜坐標(biāo)系的變換
(2)
b) 動(dòng)坐標(biāo)系與靜坐標(biāo)系的變換
(3)
c) 靜坐標(biāo)系與靜坐標(biāo)系的變換
(4)
d) 動(dòng)坐標(biāo)系與動(dòng)坐標(biāo)系的變換
(5)
e) 動(dòng)坐標(biāo)系與動(dòng)坐標(biāo)系的變換
(6)
2.2.2.齒曲線及其共軛曲線
(1)齒曲線方程及其參數(shù)變換范圍
螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子型線通常由多段組成齒曲線相接而成。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子型線時(shí),通常先在陽(yáng)轉(zhuǎn)子或陰轉(zhuǎn)子上給定一些組成齒曲線,用如下的參數(shù)方程表示在相應(yīng)的轉(zhuǎn)子動(dòng)坐標(biāo)系中:
(7)
上式中,參數(shù)t的始點(diǎn)和終點(diǎn)決定了此組成曲線的起點(diǎn)b和終點(diǎn)e的坐標(biāo)和。
(2)齒曲線的共軛曲線方程
轉(zhuǎn)子組成齒曲線的共軛曲線,是指另一個(gè)轉(zhuǎn)子上與所選定的組成齒曲線相嚙合的曲線段,現(xiàn)假定已在陰轉(zhuǎn)子上給定了一段組成齒曲線2為
(8)
1)求出陰轉(zhuǎn)子上組成齒曲線相對(duì)于陽(yáng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)時(shí)的曲線簇方程
將方程(8)代入坐標(biāo)變換式(5),得
(9)
2)找出曲線簇的包絡(luò)條件
把包絡(luò)條件的顯函數(shù)形式代入曲線簇方程(9),就是曲線簇的包絡(luò)線方程,即
(10)
此包絡(luò)線上任一點(diǎn)的切線斜率可微分上式,得
(11)
與包絡(luò)線共切于該點(diǎn)的曲線簇中的一條曲線(φ1為常數(shù)),其斜率為
(12)
由于是公切線,這兩切線的斜率應(yīng)該相等,令式(11)與式(12)右邊相等,整理得
(13)
或 (14)
同樣,若假定在陽(yáng)轉(zhuǎn)子上給定了一段組成齒曲線1,即
(15)
將曲線1的方程(15)代入動(dòng)坐標(biāo)變換式(6),得到曲線簇的方程為
(16)
經(jīng)類似的推演,可得其包絡(luò)條件為
(17)
3)求共軛曲線方程
若已在陰轉(zhuǎn)子上給定了一段組成曲線的2為
(18)
則其共軛曲線方程,可用方程(10)及補(bǔ)充條件聯(lián)立表示,即
(19)
同樣,若已在陽(yáng)轉(zhuǎn)子上給定了一段曲線1為
則其共軛曲線方程,可用方程(16)及補(bǔ)充條件聯(lián)立表示,即
(20)
4)共軛曲線的嚙合線方程
共軛曲線的嚙合線方程一般可表示為
(21)
2.3 單邊不對(duì)稱擺線-銷齒圓弧型線
本設(shè)計(jì)采用我國(guó)規(guī)定的螺桿壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的單邊不對(duì)稱擺線-銷齒圓弧型線。如圖5所示。其組成齒曲線和相應(yīng)的嚙合線見附表1。
圖5 單邊不對(duì)稱擺線-銷齒圓弧型線
a)型線 b)嚙合線
這種單邊不對(duì)稱擺線-銷齒圓弧型線與原始不對(duì)稱型線的主要區(qū)別在于:
采用徑向直線AB及DE倒棱修正,去除了原始不對(duì)稱型線外圓上的擺線形成點(diǎn),并使擺線IJ的形成點(diǎn)向內(nèi)移動(dòng)。另外,將圓弧齒曲線擴(kuò)大一角度,形成保護(hù)角,使擺線CD的形成點(diǎn)I處于陽(yáng)轉(zhuǎn)子外圓之內(nèi),保護(hù)了對(duì)嚙合性能很敏感的擺線形成點(diǎn)。修正后,便于轉(zhuǎn)子在加工、安裝、運(yùn)行及儲(chǔ)運(yùn)中保護(hù)擺線形成點(diǎn)。但使接觸線頂點(diǎn)與轉(zhuǎn)子齒頂圓交點(diǎn)之距離略有增大,使通過(guò)泄漏三角形的泄漏量增加。為此,通常限制直線段DE的長(zhǎng)度在0.5-2mm 的允許范圍之內(nèi)。處在低壓側(cè)的直線段AB的長(zhǎng)度,由于不影響氣密性,通常從制造工藝出發(fā),使其與圓弧BC光滑過(guò)度。
現(xiàn)在推導(dǎo)各段齒曲線方程、嚙合線方程及相應(yīng)的參數(shù)變化范圍。
1)AB與GH
① AB方程
陰轉(zhuǎn)子上的AB為一徑向直線,其方程為:
(22)
參數(shù)ρ2的變化范圍為
(23)
由三角形O2BP,有
(24)
(25)
即 (26)
式中,Z2、Z1分別為陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒數(shù),R為齒高半徑,在標(biāo)準(zhǔn)中,規(guī)定R=25.625%A。
② GH方程
陽(yáng)轉(zhuǎn)子上的GH為陰轉(zhuǎn)子上徑向直線AB的共軛曲線,將AB的方程(22)代入(5),得曲線簇方程為
(27)
故有
將上述諸式代入包絡(luò)條件式(14),可得位置參數(shù)與曲線參數(shù)的關(guān)系為
(28)
聯(lián)立(27)和(28)可得到GH的方程,可發(fā)現(xiàn)GH的性質(zhì)是一擺線。
③ 嚙合線方程
AB和GH嚙合時(shí)的嚙合線方程,可按式(21),通過(guò)把AB的方程(22)代入坐標(biāo)變換式(3),并與包絡(luò)條件式(28)聯(lián)立得到,即
(29)
1) BC與HI
①BC方程
陰轉(zhuǎn)子上的曲線BC為一圓心在節(jié)點(diǎn) P,半徑為R的圓弧,又稱銷齒圓弧,其方程為
(30)
參數(shù)t為
(31)
由直角三角形O2BP,有
a 1為保護(hù)角,通常為5°-10°,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為5°。
②HI方程
陽(yáng)轉(zhuǎn)子上的曲線HI是陰轉(zhuǎn)子上銷齒圓弧BC的共軛曲線,將BC的方程(30)代入坐標(biāo)變換式(5),得曲線簇方程為
(32)
故有
將上述諸式代入包絡(luò)條件式(14),可得包絡(luò)條件為
即 (33)
由此可見,BC與HI僅在的位置嚙合,而且是整條曲線同時(shí)嚙合。把式(33)代入式(32),得到簡(jiǎn)化后的HI方程為
(34)
銷齒圓弧的共軛曲線仍是一完全的銷齒圓弧,兩曲線僅在 的瞬時(shí)嚙合,而且是沿著整個(gè)圓弧段同時(shí)嚙合。
③嚙合線方程
把BC方程(30),代入坐標(biāo)變換式(3),并與包絡(luò)條件(33)聯(lián)立,得到嚙合線方程為
(35)
式(35)表明,銷齒圓弧的嚙合線是與銷齒圓弧一樣的圓弧。
2) I點(diǎn)與CD
①I點(diǎn)方程
陽(yáng)轉(zhuǎn)子上的I點(diǎn)為一固定點(diǎn),在坐標(biāo)系中的
(36)
而由三角形O1IP可知:
②CD方程
陰轉(zhuǎn)子上的CD曲線是與陽(yáng)轉(zhuǎn)子上I點(diǎn)共軛的曲線,將I點(diǎn)的方程(36)代入坐標(biāo)變換式(6),得
(37)
參數(shù)變化范圍為
(38)
陰轉(zhuǎn)子CD曲線上任一點(diǎn)距陰轉(zhuǎn)子中心O2的距離可用下式表示:
(39)
將式(37)代入式(39),整理得
即 (40)
故 (41)
(42)
其中 (43)
其中e稱為徑向直線修正長(zhǎng)度,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為e=0.625%A。
③嚙合線方程
將I點(diǎn)方程(36)代入坐標(biāo)變換式(2),并考慮到包絡(luò)條件自然滿足,得到嚙合線方程為
(44)
其參數(shù)變化范圍仍由式(38)確定。
I點(diǎn)與其共軛曲線CD嚙合時(shí),其嚙合線就是以陽(yáng)轉(zhuǎn)子中心O1為圓心,以I點(diǎn)到O1的距離b1為半徑的圓弧,即I點(diǎn)在靜坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)軌跡。
3) D點(diǎn)與IJ
①D點(diǎn)方程
陰轉(zhuǎn)子上的D點(diǎn)為一固定點(diǎn),在O2x2y2坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為
(45)
其中,
由曲線CD方程(37),有
(46)
式中由式(42)確定。
②IJ方程
將D點(diǎn)的方程(45)代入坐標(biāo)變換式(5),即得IJ方程為
(47)
參數(shù)變化范圍為
(48)
陰轉(zhuǎn)子IJ曲線上任有點(diǎn)距陽(yáng)轉(zhuǎn)子中心O1的距離可用下式表示:
(49)
將式(47)代入(49)中,得
即 (50)
(51)
(52)
其中
③r J方程
在直角三角形O2DP中,
(53)
在直角三角形O1O2J中,
(54)
④ 嚙合線方程
將D點(diǎn)方程(45)代入坐標(biāo)變換式(3)中,并考慮到包絡(luò)條件自然滿足,得到嚙合線方程為
(55)
其參數(shù)變化范圍仍由式(48)確定。
其嚙合先就是D點(diǎn)在靜坐標(biāo)系中的軌跡,即以O(shè)2為圓心,以D點(diǎn)到O2的距離為半徑的圓弧。
5)DE與JK
①DE方程
陰轉(zhuǎn)子上的DE為一徑向直線,其方程為
(56)
參數(shù)ρ2的變化范圍為
(57)
②JK方程
將DE的方程(56)代入坐標(biāo)變換式(5),得曲線簇方程為
(58)
故有
將上述諸式代入包絡(luò)條件式(14),得到曲線參數(shù)ρ2與轉(zhuǎn)角參數(shù)Φ1的關(guān)系為
(59)
其參數(shù)變化范圍由式(57)確定,式(58)表明JK的性質(zhì)是一擺線。
③嚙合線方程
把DE的方程(56)代入坐標(biāo)變換式(3),并與包絡(luò)條件式(59)聯(lián)立,即得到其嚙合線方程為
(60)
其參數(shù)變化范圍由式(57)確定。
6)EF與KL
① EF方程
陰轉(zhuǎn)子上EF曲線為一圓心在O2,半徑為R2 t的圓弧,其方程為
(61)
參數(shù) t和變化范圍為
(62)
② KL方程
將EF的方程(61)代入坐標(biāo)變換式(5),得
(63)
故有
將上述諸式代入包絡(luò)條件式(14),可得包絡(luò)條件為
(64)
把式(64)代入式(63),整理后得
(65)
其參數(shù)變化范圍仍由式(62)確定。從式(65)可以看出,KL是圓心在O1,半徑為R1 t的圓弧,這說(shuō)明節(jié)圓圓弧的共軛曲線仍為節(jié)圓圓弧。
③ 嚙合線方程
把EF的方程(61)代入坐標(biāo)變換式(3),得
(66)
上式表明節(jié)圓圓弧的嚙合線為一固定點(diǎn),即節(jié)點(diǎn)p。
陰轉(zhuǎn)子型線程序見附件(三);
陽(yáng)轉(zhuǎn)子型線程序見附件(四);
3 雙螺桿空氣壓縮機(jī)螺桿尺寸的確定
雙螺桿壓縮機(jī)螺桿尺寸按以下的關(guān)系式確定:
陽(yáng)轉(zhuǎn)子節(jié)圓直徑 d1=D1/(1+h1‘)
陰轉(zhuǎn)子節(jié)圓直徑 d2=d1/(z2/z1)
陽(yáng)轉(zhuǎn)子根圓直徑 Di1=d1/(1-h2‘)
陰轉(zhuǎn)子頂圓直徑 De2=d1/(i+h2‘)
陰轉(zhuǎn)子根圓直徑 Di2=d1/(i-h1‘)
轉(zhuǎn)子螺桿長(zhǎng)度 L=(L/De1)De1
中心距 A=0.5(d1+d2)
陰轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)角 τ2=τ1/i
陽(yáng)轉(zhuǎn)子的導(dǎo)程 b1=360°L/τ1
陰轉(zhuǎn)子的導(dǎo)程 b2=360°L/τ2
陽(yáng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速(r/min) n1=60u1/3.14De1
陰轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速(r/min) n2=n1/i
節(jié)圓螺旋角 β=arctg(b1/2πr1)= arctg(b2/2πr2)
本設(shè)計(jì)中壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子螺桿部分的幾何尺寸選用標(biāo)準(zhǔn)系列,具體見附表2。
取陽(yáng)轉(zhuǎn)子圓周速度u1=10m/s,則
陽(yáng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n1=60u1/(3.14D1)=6010/(3.140.102)=1873.3608r/min.
陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2=n1/I=1873.3608/(0.6667)= 2809.9007 r/min.
4 幾何特性
4.1 齒間面積和面積利用系數(shù)
1.齒間面積
陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子的齒間面積是螺桿壓縮機(jī)的重要幾何性質(zhì)之一,在對(duì)轉(zhuǎn)子型線的各段組成齒曲線建立方程逐個(gè)確定其參數(shù)變化范圍后,可利用解析法求得轉(zhuǎn)子的齒間面積。
陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒間面積系由多段光滑曲線及齒頂圓弧首尾相接圍成的,故其面積的一般表達(dá)式為:
(67)
(1)陰轉(zhuǎn)子齒間面積
陰轉(zhuǎn)子齒間面積A02為:
=669.0188(mm2) (68)
(2) 陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒間面積
陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒間面積A01為:
=552.4108(mm2) (69)
=1221.4296(mm4)
2.面積利用系數(shù)
螺桿壓縮機(jī)的面積利用系數(shù),表征轉(zhuǎn)子直徑范圍內(nèi)總面積的利用程度。其定義式為:
(70)
查表23-11,得單邊對(duì)稱擺線-銷齒圓弧型線的面積利用系數(shù)=0.4696。
4.2 齒間容積及其變化過(guò)程4.2.1.齒間容積
一般若轉(zhuǎn)子的齒間面積為A、有效工作段長(zhǎng)度為L(zhǎng),則齒間容積V為
(71)
由上式,可得陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子的齒間容積V02、V01分別為
(72)
(73)
(74)
4.2.2.齒間容積的變化
螺桿壓縮機(jī)工作時(shí),陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子的齒間容積因彼此侵占而減小,從而實(shí)現(xiàn)壓縮氣體的目的。用端面齒間面積的變化來(lái)描述容積的變化,可以使復(fù)雜的空間問(wèn)題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的平面問(wèn)題。
如圖6所示,當(dāng)陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到齒1’,即將侵占陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒1后的齒間面積A01位置時(shí),即為壓縮開始點(diǎn),也是齒間容積減少的起點(diǎn)。規(guī)定處于這一位置的陽(yáng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為零,即φ1=0。此后,陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒1后的齒間面積就因陰轉(zhuǎn)子齒1`的侵入而由最大值A(chǔ)01逐漸減少。
圖6 基元容積開始減少時(shí)的轉(zhuǎn)子位置
從壓縮過(guò)程開始點(diǎn)起,根據(jù)轉(zhuǎn)子型線方程或型線坐標(biāo)點(diǎn),應(yīng)用解析法、數(shù)值積分法或圖解積分法,可得到陽(yáng)轉(zhuǎn)子的齒間面積被陰轉(zhuǎn)子齒侵占的齒間面積A0r隨陽(yáng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角φ1的變化曲線,如圖7(a)所示。同理,可得到陰轉(zhuǎn)子A2r的齒間面積被陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒侵占的齒間面積隨陽(yáng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角φ1的變化曲線,如圖7(b)所示。將兩圖疊加,得到圖7(c),它表示一對(duì)齒間面積Ar被侵占值轉(zhuǎn)角φ1的關(guān)系。
圖7 齒間面積侵占圖
a)陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒間面積被侵占圖b)陰轉(zhuǎn)子齒間面積被侵占圖c)一對(duì)齒間面積被侵占圖
圖7中,τ1z為陽(yáng)轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)角,τ1z=300°,螺旋角β=0.6781,而
(75)
齒間容積減少的數(shù)值可用Ar-φ1曲線下的面積求得,即
(76)
由式(75)可得到齒面間容積對(duì)的容積減少值與轉(zhuǎn)角j1的關(guān)系曲線,如圖所示。
可分三個(gè)階段:
第Ⅰ階段(0≤j1≤j1k):該階段結(jié)束時(shí)齒間容積減少值為V1k=T1/(2p)S0
第Ⅱ階段(j1k≤j 1≤t 1z):該階段容積減少值為
(77)
該階段結(jié)束時(shí),齒間容積總的減少值為
(78)
第Ⅲ階段(t 1z≤j 1≤t 1z+ j 1k):該階段容積減少值為。顯然有關(guān)系式
(79)
從上述分析看出,螺桿壓縮機(jī)的陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒從開始嚙合到解脫嚙合期間,位于接觸線一側(cè)的齒間容積從最大值減少到零,完成壓縮和排氣過(guò)程。同時(shí),位于接觸線另一側(cè)的齒間容積卻從零擴(kuò)大到最大值,完成了吸氣過(guò)程。
4.3 扭角系數(shù)及內(nèi)容積比
4.3.1.扭角系數(shù)
扭角系數(shù)為
(80)
查表23-12,得單邊不對(duì)稱擺線-銷齒圓弧型線的扭角系數(shù)為Cj =0.9905。
2.內(nèi)容積比
它決定壓縮機(jī)的排氣孔口位置,其定義為
(81)
氣體的壓縮過(guò)程終止于第Ⅱ階段,則
(82)
(83)
做近似計(jì)算,氣體的壓縮過(guò)程終止于第Ⅱ階段,則
(84)
將上式代入式(82)及式(83),得
(85)
(86)
則 (87)
5 雙螺桿壓縮機(jī)的熱力學(xué)計(jì)算
螺桿壓縮機(jī)的熱力學(xué)計(jì)算的目的,是為了求出在壓縮過(guò)程中壓力和溫度的變化,并由其結(jié)果算出機(jī)器所需要的功率。此外至少還必須近似地求出壓縮機(jī)的容積效率。
在螺桿壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算中,對(duì)于大部分所輸送的工質(zhì)的壓力和溫度變化與理想氣體相同。螺桿壓縮機(jī)齒槽內(nèi)的實(shí)際的熱力學(xué)過(guò)程十分復(fù)雜,在理論上還不能準(zhǔn)確地掌握的。因此,在熱力學(xué)計(jì)算上只能采用十分簡(jiǎn)化的模型,于是得出的結(jié)果只能近似地接近實(shí)際。
5.1 內(nèi)壓力比
若壓縮氣體視為理想氣體,則內(nèi)壓力比可用下式近似計(jì)算:
(88)
式中,pt = 0.8Mpa(表壓)為內(nèi)壓縮終了的壓力; = 0.1Mpa(大氣壓),為吸氣終了壓力;Vt為壓縮過(guò)程結(jié)束時(shí)的容積值;Vo為吸氣過(guò)程結(jié)束時(shí)的容積值;為壓縮機(jī)的內(nèi)容積比;m為多方壓縮過(guò)程指數(shù)。將已知數(shù)據(jù)代入上式得:
=0.8/0.1=8
5.2 容積流量及容積效率
5.2.1.理論容積流量
螺桿壓縮機(jī)的理論容積流量qvi,為單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的齒間容積之和,它只取決于壓縮機(jī)的幾何尺寸和轉(zhuǎn)速。若令λ=L/D1,則有
(89)
查手冊(cè)得: =0.4696;查手冊(cè)得: =0.971(陽(yáng)轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)角為300°);長(zhǎng)徑比l =L/D1=1.35;D1=102mm;陽(yáng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n1=1873.36r/min。將已知數(shù)據(jù)代入式(89),得
5.2.2.實(shí)際容積流量
螺桿壓縮機(jī)的實(shí)際容積流量是指折算到吸氣狀態(tài)的實(shí)際容積流量,計(jì)算式為
(90)
式中ηV為容積效率, 已知=1.0m3/min,代入式(69),得
5.3 軸功率及絕熱效率
5.3.1.指示功W
氣體看作理想氣體,其狀態(tài)方程如下所示:
或 (91)
(1)吸氣過(guò)程看作等壓過(guò)程
吸進(jìn)的空氣質(zhì)量m為,p0=p1s=Pa,T0=T1s=298K,空氣分子量M = 29.27,氣體常數(shù)R=8.314(J.mol-1.k-1)。
(92)
吸氣過(guò)程指示功W1為
(93)
(2)壓縮過(guò)程看作絕熱過(guò)程
壓縮過(guò)程結(jié)束時(shí),齒間容積總的減少值V2z為
=
=
壓縮過(guò)程結(jié)束時(shí),齒間容積V2為
= = (94)
壓縮終溫Td為,因?yàn)橛幸欢崃總鞒觯?≤n≤k=1.4,取n=1.10
=360.078(K) (95)
壓縮過(guò)程指示功W2為,空氣的絕熱系數(shù)k=1.4
(96)
(3)排氣過(guò)程看作等壓過(guò)程
排氣過(guò)程指示功W3
(97)
總的指示功W為
(98)
5.3.2.軸功率
(1) 指示功率Pi
Pi= (99)
W為指示功,n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速,n=3000r/min。
軸功率
(100)
ηm為機(jī)械效率,一般ηm =0.90-0.98,取ηm =0.96。
5.3.3.絕熱效率ηad
螺桿壓縮機(jī)的絕熱效率ηad反映了壓縮機(jī)能量利用的完善程度,其數(shù)值依機(jī)型和工況不同而有明顯的差別。據(jù)圖23-50,Pd=0.8Mpa, 取絕熱效率had=0.78。
5.3.4.絕熱指示效率hi
(101)
5.4 電動(dòng)機(jī)功率
5.4.1.傳動(dòng)效率
采用增速齒輪傳動(dòng),其傳動(dòng)效率ht=0.97-0.99,取ht=0.98。
5.4.2電動(dòng)機(jī)功率
一般電動(dòng)機(jī)功率均滿足選配大于軸功率,電動(dòng)機(jī)動(dòng)余度為:xd=1.05-1.15,取xd=1.10,電動(dòng)機(jī)功率
(102)
5.5 電功率
本設(shè)計(jì)采用封閉式三相交流異步鼠籠式電動(dòng)機(jī),其型號(hào)為Y280S-2,電動(dòng)機(jī)軸直徑D=65mm其轉(zhuǎn)速n=3000r/min,其效率hd=0.915,則電能總消耗為:
(KW) (103)
6 雙螺桿壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于空氣壓縮機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈,因此空氣壓縮機(jī)多被設(shè)計(jì)為系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品,以便大批量、低成本地生產(chǎn)和銷售。另外,由于壓縮空氣的用途非常廣泛,要求空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行和維護(hù)盡量簡(jiǎn)單,以便使非專業(yè)技術(shù)人員也能夠正確操作。
噴油螺桿空氣壓縮機(jī)的機(jī)體不設(shè)冷卻水套,轉(zhuǎn)子為內(nèi)部不需冷卻的整體結(jié)構(gòu),壓縮氣體所產(chǎn)生的徑向力和軸向力都由滾動(dòng)軸承來(lái)承受。排氣端的轉(zhuǎn)子工作段與軸承之間有一個(gè)簡(jiǎn)單的軸封,通過(guò)在機(jī)殼或軸上開出凹槽,并向里邊供入一定壓力的密封油,即可很好地起到密封的作用。
7 雙螺桿壓縮機(jī)的力學(xué)計(jì)算
用虛功原理對(duì)螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行動(dòng)力分析,徑向力的計(jì)算歸結(jié)為基元容積投影的幾何性質(zhì)的計(jì)算,將復(fù)雜的空間問(wèn)題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的平面問(wèn)題。
分析力學(xué)的基礎(chǔ)是虛位移原理和達(dá)郎伯原理。前者給出解決力學(xué)系統(tǒng)平衡問(wèn)題的普遍原理;而后者用平衡的觀點(diǎn)來(lái)處理動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。無(wú)論約束是定常的或不定常的,如果約束力在質(zhì)點(diǎn)系任意虛位移中的元功之和等于零,則任一瞬時(shí)作用在該理想約束的質(zhì)點(diǎn)系上的主動(dòng)力與慣性力在質(zhì)點(diǎn)系任意虛位移中的元功之和為零。這稱為動(dòng)力學(xué)普遍方程或達(dá)朗伯-拉格郎日方程。
瞬時(shí)基元容積內(nèi)的氣體對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩Tg,Tg在虛位移即轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)微元角dj上所做的功為Wg,
(105)
主動(dòng)力在dj上所做的功等于瞬時(shí)基元容積之中氣體壓力Pi與容積微小變化dV的乘積,按照達(dá)朗伯-拉格郎日方程則有:
(106)
因合力對(duì)任一軸的矩等于各力對(duì)同一軸的矩的代數(shù)和,所以Tg可通過(guò)計(jì)算瞬時(shí)基元容積在XOZ、YOZ平面投影的靜矩M求出,
(107)
由(105)、(106)、(107)式
(108)
7.1 徑向力的計(jì)算
7.1.1.坐標(biāo)系
計(jì)算瞬時(shí)基元容積投影的靜矩時(shí),采用下圖所示的坐標(biāo)系:
圖8 轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系
O1Z1-陽(yáng)轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)軸;O2Z2-陰轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)軸;X1O1Y1位于陽(yáng)轉(zhuǎn)子吸氣端面;X2O2Y2位于陰轉(zhuǎn)子吸氣端面;陽(yáng)轉(zhuǎn)子以φ1作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn);陰轉(zhuǎn)子以φ2作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
7.1.2.計(jì)算工況
取基元容積與排氣孔連通時(shí)作為計(jì)算工況,此時(shí)轉(zhuǎn)子受力最大,響應(yīng)的氣體壓力分別為:
j1=106.956°,Pi=0.1143Mpa;
j1=196.956°,Pi=0.2838Mpa;
j1=286.956°,Pi=0.5375Mpa;
j1=376.956°,Pi=0.8Mpa;
7.1.3.平面圖形的靜矩和重心
基元容積在XOZ、YOZ平面上的投影輪廓線由接觸線、齒頂螺旋線、吸氣端面(或排氣端面)組成。
設(shè)基元容積在YOZ平面的投影對(duì)于Y軸及Z軸的靜矩為MY-YOZ及MZ-YOZ,密度為1,面積為SYOZ,則重心G1(Y,ZYOZ)的坐標(biāo)為:
(109)
(110)
(111)
(112)
式中的f(Z)為接觸線方程或齒頂螺旋線方程,若氣體壓力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反 ,則靜矩取正直,反之則取負(fù)值,積分方式采用解析法。
7.1.4.作用在轉(zhuǎn)子上的徑向力
MZ-YOZ1、Y1、ZYOZ1、Pi可以確定作用在陽(yáng)轉(zhuǎn)子X1方向上徑向載荷TX1的大小、方向、作用點(diǎn);MZ-XOZ1、X1、ZXOZ1、Pi可以確定作用在陽(yáng)轉(zhuǎn)子Y1方向上徑向載荷TY1的大小、方向、作用點(diǎn)。同理,MZ-YOZ2、Y2、ZYOZ2、Pi和MZ-XOZ2、X2、ZXOZ2、Pi分別可確定作用在陰轉(zhuǎn)子上的徑向載荷Tx2和Yy2。TX、TY與圖所示X軸、Y軸方向相反取負(fù)值。
當(dāng)基元容積與排氣孔連通時(shí),作用在陽(yáng)轉(zhuǎn)子上總的徑向力T1為:
7.2 軸承支反力
陽(yáng)轉(zhuǎn)子吸氣側(cè)和排氣側(cè)軸承支反力分別為:
陰轉(zhuǎn)子吸氣側(cè)和排氣側(cè)軸承支反力分別為:
7.3 軸向力的計(jì)算
在半徑為r齒面的微元螺旋線段dl上,氣體壓力dpi可以分解為軸向分離dQa、徑向分力dT,切向分力dQT。
按力學(xué)規(guī)則可得dQT與dQa的關(guān)系式:
(113)
式中b —半徑為r的圓柱面上的螺旋角
又因
則有 (114)
式中b—螺桿的導(dǎo)程
作用于dl上的轉(zhuǎn)矩dTg:
(115)
積分上式得氣體對(duì)抓呢子的旋轉(zhuǎn)力矩Tg
(116)
將(107)式展開:
(117)
(118)
整理(116)、(117)、(118)式:
(119)
(120)
式中Qa1、Qa2陽(yáng)、陰轉(zhuǎn)子型面軸向力,正號(hào)表示指向吸氣端;負(fù)號(hào)表示指向排氣端。
指向吸氣端
指向排氣端
8 雙螺桿壓縮機(jī)的吸、排氣孔口設(shè)計(jì)
8.1 吸氣孔口
壓縮機(jī)吸氣孔口的合理位置和形狀,是實(shí)現(xiàn)氣體壓縮過(guò)程的必備條件,也是實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)效率的一個(gè)重要因素。為此,在設(shè)計(jì)吸氣孔口時(shí)應(yīng)該滿足一系列的要求:
① 吸氣孔口應(yīng)盡量減少吸氣封閉容積的影響。
② 吸氣孔口的位置應(yīng)能保證齒間容積獲得最大程度的充氣,以提高機(jī)器的容積利用率。
③ 氣體在吸氣孔口處及齒間容積內(nèi)的流動(dòng)損失要小。即力求孔口面積盡能地大、氣流通道截面變化平滑。
8.1.1.軸向吸氣孔口
(1) 吸氣開始角
目前廣泛使用的不對(duì)稱型線,當(dāng)陰轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)過(guò)兩轉(zhuǎn)子的齒頂圓交點(diǎn),并與陽(yáng)轉(zhuǎn)子進(jìn)入嚙合后,在接觸線的一側(cè),轉(zhuǎn)子的齒間容積將逐步減少。在接觸線的另一側(cè),轉(zhuǎn)子的齒間容積將從零開始擴(kuò)大。在f = 0~b 范圍內(nèi)不能布置吸氣孔口,會(huì)產(chǎn)生大小不同的吸入封閉容積。
當(dāng)陽(yáng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)兩轉(zhuǎn)子的中心線后,處于壓縮過(guò)程的容積不再與吸氣端面連通,從此位置開始,即可布置吸氣孔口。吸氣孔口不應(yīng)處于嚙合線范圍內(nèi),為使齒間容積盡早開始吸氣過(guò)程,吸氣孔口應(yīng)盡量靠近兩轉(zhuǎn)子的中心連線,即陽(yáng)轉(zhuǎn)子的吸氣開始角應(yīng)為b。
(2) 吸氣結(jié)束角
吸氣孔口的位置應(yīng)能保證齒間容積獲得最大程度的充氣。陽(yáng)轉(zhuǎn)子的軸向吸氣角a1s由下式確定:
τ1z=3π/2
β=0.6781
(121)
(122)
陰轉(zhuǎn)子軸向吸氣角a2s為
(123)
考慮到實(shí)際氣體流動(dòng)滯后的因素,可適當(dāng)選取比式(123)計(jì)算結(jié)果大的數(shù)值,故取a2s = 4.20000。
1. 徑向吸氣孔口
為了盡可能擴(kuò)大吸氣孔口的通流面積,在開設(shè)軸向吸氣孔口的同時(shí),還將機(jī)體沿軸向挖空作為徑向吸氣孔口。
本設(shè)計(jì)采用混合吸氣孔口,即在純軸向吸氣孔口的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步將機(jī)殼應(yīng)上該開徑向吸氣孔口的位置挖10mm。
8.2 排氣孔口
8.2.1.軸向排氣孔口
(1) 排氣開始角
對(duì)所要求的內(nèi)容積比,必有一個(gè)對(duì)應(yīng)的排氣孔口。陽(yáng)轉(zhuǎn)子排氣角a1d為:
相應(yīng)的陰轉(zhuǎn)子排氣角度,可根據(jù)陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒間容積同時(shí)排氣的原則由下式計(jì)算:
(125)
(2)排氣結(jié)束角
為了防止處于排氣壓力的氣體流回處于吸氣壓力的齒間容積,排氣孔口應(yīng)處于嚙合線范圍之內(nèi)。另外,為了使齒間容積內(nèi)的氣體能夠被完全排出,排氣孔口又應(yīng)盡量靠近兩轉(zhuǎn)子的中心連線。為了降低噪聲,減少氣體流動(dòng)損失,以及考慮到制造工藝上的方便,將端面排氣孔口嚙合線頂點(diǎn)處的尖點(diǎn)削平。取適中的水平段長(zhǎng)度,以減少氣體泄漏。
圖9 軸向排氣孔口的位置和形狀
如圖9所示,軸向排氣孔口型線為1-2-3-4-5-6-7-8-1。需要指出的是,圖中曲線段6-7,1-2分別取陰.陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒間容積前方齒的背段型線,曲線段3-4-5應(yīng)取型線的高壓側(cè)嚙合線形狀,曲線段5-6,2-3分別為陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子型線的齒根圓周,但通常將機(jī)體的這一部分挖空。
8.2.2. 徑向排氣孔口
為了降低排氣流速,在開設(shè)軸向排氣孔口的同時(shí),還將機(jī)體沿軸向挖空作為徑向排氣孔口,其挖切方法與徑向吸氣孔口類同。
本設(shè)計(jì)采用混合排氣孔口,以得到最大的通流面積,從而使壓力損失達(dá)到最小,而且在排氣的情況下,氣體隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)受到的離心力對(duì)氣體排向徑向排氣孔口是有利的。
圖10 徑向排氣孔口的位置與形狀
為了降低排氣流速,在開設(shè)軸向排氣孔口的同時(shí),還將機(jī)體沿軸向挖空作為徑向排氣孔口,其挖空的方法與徑向吸氣孔口相同。如圖10所示,徑向排氣孔口的形狀為.應(yīng)該指出的是,分別為排出端面上由點(diǎn)A、B所引出的陰,陽(yáng)轉(zhuǎn)子的外圈螺旋線。
9主要零部件設(shè)計(jì)和選材
9.1.1.機(jī)體
機(jī)體是螺桿壓縮機(jī)的主要部件。它由中間部分的氣缸及兩端的端蓋組成。端蓋內(nèi)置有軸封、軸承。
只要適當(dāng)安排轉(zhuǎn)子的螺旋旋向和機(jī)體上的吸排氣孔口,幾乎可以在任何位置安排吸、排氣通道。對(duì)吸排氣通道的要求是平滑過(guò)度和流速低,以減少流動(dòng)損失。
吸氣端讓吸入氣體從低部進(jìn)入,沿徑向進(jìn)入機(jī)體。與吸氣類似,排氣設(shè)在機(jī)體的頂部,采用徑向排氣。
噴油螺桿壓縮機(jī)的機(jī)體采用單層壁結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子包含在機(jī)體中,機(jī)體的外側(cè)即為大氣。為給進(jìn)氣和排氣留下氣體流動(dòng)的空間,機(jī)體需向外做必要的延伸。
機(jī)體材料為灰口鑄鐵,牌號(hào)為HT200。
9.1.2.轉(zhuǎn)子
轉(zhuǎn)子是螺桿壓縮機(jī)的主要零件,由于轉(zhuǎn)子直徑較小,其結(jié)構(gòu)采用整體式。對(duì)螺旋狀工作段以外的部分,按通常的“轉(zhuǎn)軸”要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。
螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的毛坯常為鍛件,采用球墨鑄鐵,其牌號(hào)為QT600-3,既便于加工,又降低了成本。
9.1.3.軸承
在螺桿空氣壓縮機(jī)中,由于軸向力和徑向力都不大,故都采用滾動(dòng)軸承。
采用深溝球滾動(dòng)軸承,型號(hào)為6006,既能承受軸向載荷,也能承受徑向載荷。
軸承采用脂潤(rùn)滑。
9.1.4.軸封
噴油螺桿空氣壓縮機(jī)都采用滾動(dòng)軸承,為了防止壓縮腔的氣體通過(guò)轉(zhuǎn)子軸向外泄漏,必須在排氣端的轉(zhuǎn)子工作段與軸承之間加一個(gè)軸封。在螺桿壓縮機(jī)正常工作時(shí),吸入端的轉(zhuǎn)子工作段與軸承之間幾乎沒(méi)有壓差,所以,在吸氣端的轉(zhuǎn)子加工段與軸承
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之間,只用間隙密封就能滿足要求,沒(méi)有必要再提供密封油。在小型壓縮機(jī)中,通常采用簡(jiǎn)單的唇型密封。
10.雙螺桿空氣壓縮機(jī)壓力脈動(dòng)理論計(jì)算
氣流脈動(dòng)現(xiàn)象是引起壓縮機(jī)運(yùn)行性能和可靠性下降的重要原因之一。雖然雙螺桿壓縮機(jī)沒(méi)有排氣閥,但由于在壓縮機(jī)的排氣過(guò)程中,排氣口的面積是變化的,在不同的時(shí)刻通過(guò)排氣孔口的氣體流量不同,因而不可避免地會(huì)產(chǎn)生排氣流量脈動(dòng)。另外,
由于不設(shè)排氣閥,當(dāng)設(shè)計(jì)工況與實(shí)際工況不一致時(shí),在工作容積與排氣孔口連通的瞬時(shí),理論上將出現(xiàn)等容壓縮或膨脹現(xiàn)象,導(dǎo)致排氣孔口處氣體流量的瞬時(shí)突變,這些氣流流量的脈動(dòng)均會(huì)產(chǎn)生壓力的脈動(dòng)。
10.1.氣流脈動(dòng)的數(shù)值模擬
10.1.1. 一維非定常氣流方程組及其解法
對(duì)于等截面管內(nèi)的一維非定常氣體流動(dòng),由連續(xù)方程.動(dòng)量方程及能量方程構(gòu)成描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方程組。將方程組無(wú)量綱化,得
(126)
式中
利用L-W兩步法數(shù)值求解方程組(126),其格式為
第一步
第二步
L-W數(shù)值計(jì)算兩步法方案及步驟如圖11所示。其中,下j指管道上均分點(diǎn)的號(hào)碼,上標(biāo)指無(wú)因次時(shí)刻值。除去孔口端點(diǎn)1和末端點(diǎn)n外,所有內(nèi)分點(diǎn)上氣流的參數(shù)值(U,P,R)都可以由Z時(shí)刻的值,按兩步法規(guī)則,推出時(shí)刻的值。
圖11 L-W購(gòu)步法圖示
當(dāng)均分點(diǎn)取定后,也就已知,而的取值應(yīng)滿足L-W數(shù)值解的穩(wěn)定性條件
(127)
將所要計(jì)算的管道系統(tǒng)劃分為9個(gè)單元,每個(gè)單元 的取值為0.01,的取值為0.02。通過(guò)公式(127)可以看出,這樣劃分網(wǎng)格是滿足穩(wěn)定性條件的。
10.1.2 邊界條件處理
分析上面提到的兩步計(jì)算一維非穩(wěn)態(tài)可壓縮氣流守恒型方程組可以看出,此方法不能計(jì)算邊界點(diǎn)1和n的參數(shù)值。對(duì)于邊界點(diǎn),可以采用勻熵修正理論,即只考慮管道摩擦,不考慮與外界的熱交換,并且由摩擦引起的熵值增加也略去不計(jì),這種方法對(duì)工程計(jì)算而言已被證明是有效的。
圖12所示的雙螺桿壓縮機(jī)排氣系統(tǒng)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為壓縮機(jī)—排氣管—異徑管—容積腔,即兩個(gè)邊界點(diǎn)分別為壓縮機(jī)的容積腔。
在圖12中,管道的左端點(diǎn)為壓縮機(jī)的基元容積腔,根據(jù)連續(xù)性條件,通過(guò)A-A
截面右側(cè)排出氣體的速度理論值為
(128)
式中V1為壓縮腔的容積,u為理論排氣流速,Ae表示A-A 截面右端的有效通流面積。
圖10 排氣系統(tǒng)簡(jiǎn)圖
對(duì)雙螺桿壓縮機(jī),根據(jù)轉(zhuǎn)子型線方程和基本參數(shù),并結(jié)合壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速,可以求得/的數(shù)值解,從而求得理論排氣流速隨時(shí)間變化的離散值。需要指出的是,對(duì)陽(yáng)轉(zhuǎn)子而言,當(dāng)它從排氣開始到排氣結(jié)束所轉(zhuǎn)過(guò)的角度大于/(為陽(yáng)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)),此時(shí)在壓縮機(jī)一