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螺杆压缩机设计理论与关键技术的研究和开发

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019-3-4     浏览次数:    
    螺杆压缩机设计理论与关键技术的研究和开发
    摘要:基于螺杆压缩机热、动力学的理论研究,建立了螺杆压缩机工作过程中热力学、动力学计算的数学模型,并在螺杆压缩机工作过程指示图录取、压力脉动测试、转子轴向力测量、油分布的可视化等实验研究基础上,揭示了螺杆压缩机热、动力性能与转子型线等设计参数之间的内在规律,建立了完整的螺杆压缩机设计理论.在设计理论的指导下,开发了转子型线设计、刀具刃形设计、SC-CAD设计等技术和软件,与本行业知名企业合作开发系列产品,并实现大批量生产,使新产品广泛应用于制冷空调、空气动力和石油化工等领域,实现了我国螺杆压缩机产品的更新换代,推动了我国压缩机行业的技术进步和产业结构优化
    关键词:螺杆压缩机;设计理论;关键技术;产品开发
    螺杆压缩机是一种消耗电力的机械设备,具有结构简单、可靠性高及操作维护方便等一系列独特的优点,被广泛应用于制冷空调和空气动力、石油、化工等工业领域.从1960年开始,螺杆压缩机在国外逐渐批量生产和应用,在宽广的容量和工况范围内,逐步替代了活塞压缩机等其他种类的压缩机从1978年开始,我国螺杆压缩机生产企业在参考国外进口样机结构的基础上,以“单边不对称摆线———销齿圆弧”型线为核心,设计生产了一些螺杆压缩机产品,虽在一定程度上满足了市场需求,但存在着转子型线、主机设计技术、制造工艺落后等问题,导致产品的能耗高、噪声大.在我国能源紧缺、环境保护要求日益高涨的社会发展大趋势下,该种技术产品已不能满足我国国民经济发展要求,因此不得不从国外进口大量的螺杆压缩机应用于国内不同的工业领域.国际上知名压缩机生产厂商对我国采取了技术保密,严重阻碍了我国螺杆压缩机技术的发展.因此,研究开发具有我国自主知识产权的新一代高效、环保的螺杆压缩机,十分符合我国民族工业发展的战略要求
    关键技术开发
    在螺杆压缩机设计理论的指导下,提出并攻克了实现螺杆压缩机系列产品开发的多项关键技术主要包括螺杆转子型线设计方法、螺杆转子刀具刃形设计技术、调节和润滑技术,以及SCCAD设计计算软件开发等.开发的关键技术通过鉴定,结论为取得了系统的创新成果,解决了许多关键技术,达到了国际同类技术的领先水平螺杆转子型线设计方法
    前述螺杆压缩机设计理论研究表明,螺杆转子型线对压缩机热力性能和动力特性有着决定性的影响,因此转子型线设计是开发高性能螺杆压缩机的关键技术之一.文献[6]提出的“通过定量比较转子几何特性、热力和动力性能,以二次曲线及其共轭包络线组成齿曲线的型线设计方法”,避免了传统型线组成齿曲线中的点和直线,解决了准确预测转子型线对于压缩机热力性能和动力性能影响的难题传统的螺杆压缩机型线设计方法,仅根据影响热力性能的泄漏对型线参数进行优选,而本项目研究中的螺杆压缩机转子型线设计技术是在通过全面比较目前国际上知名型线的基础上,凭借对螺杆压缩机精确的研究成果,不仅从影响热力性能因素出发,更进一步地注意到了有关型线参数对转子间力矩分配的影响,使得利用该技术设计的转子型线在热力性能、动力特性以及批量加工方面具有更大的优越性.螺杆转子型线设计技术的核心内容如下:①组成齿曲线的选择;②据热力性能设计转子型线;③据动力特性设计转子型线应用转子型线设计技术成果,成功设计并推广应用了多种新型螺杆转子型线,具有代表性的型线如图14所示
    螺杆转子刀具刃形设计技术
    螺杆压缩机设计理论表明,转子间隙对压缩机的性能有重大的影响,而该间隙受加工、热膨胀、喷油等因素的影响,因此决定间隙的刀具刃形设计技术是螺杆压缩机产业化的关键技术之一.本项目提出用“不等距法”设计啮合间隙和在节圆附近设置驱动带的转子刀具刃形设计技术,有效地提高了转子加工的精度和效率,改善了螺杆压缩机的性能和可靠性螺杆转子刀具刃形是加工转子时,保证转子型线精度的关键,因此刀具刃形的设计对螺杆压缩机的性能有重大影响.为了补偿加工误差和转子工作时的变形,需要在理论型线的基础上,设定各点的间隙,并根据由此得到的实际型线进行转子的刀具刃形设计.传统的间隙设定方法是等距型线法和等距型面法,两种方法都没有考虑型线各部分变形量的不同.在本项目的啮合间隙设定中,则对型线各部分的变形进行了具体的分析和计算,形成了设定啮合间隙的“不等距法”,并把此方法应用于刀具刃形的设计中.另外,本项目还提出了在节圆附近设置宽度为2~4mm的驱动带的刀具刃形设计方法,保证了阴、阳转子仅在节圆附近以纯滚动的方式接触和传递力矩,对进一步降低噪声和提高COP,起到了帮助作用.利用上述螺杆转子刀具刃形设计技术,根据某转子型线及其啮合间隙(如图15所示)设计的刀具刃形如图16所示
    螺杆压缩机调节和润滑技术

    螺杆压缩机在运行过程中,会受到外界使用工况变化的影响,为了保证压缩机的运行效率,必须调图15型线啮合间隙分布阳转子刀具刃型阴转子刀具刃型图16刀具刃形节其自身的运行工况.另外,螺杆压缩机的润滑系统也关系到机器的性能和可靠性.本项目研究了螺杆压缩机能量和内容积比调节的机理,提出并实现了“仅通过控制相关油路上的电磁阀,即可同时调节压缩机能量和内容积比的一种新颖的能量调节机构”;基于对螺杆压缩机启动及运行时供油问题的研究,开发了“油泵供油结合压差供油的润滑系统”,解决了单一润滑系统的不足,并同时拥有各自的优点针对螺杆制冷压缩机应用工况的不同,本项目开发了一种新颖的能量调节机构.该调节机构设有个出油口,并合理配置在油腔相关位置.根据螺杆压缩机运行工况的变化,通过控制这3个出油口线路上的电磁阀,可自动进行能量和内容积比的调节使螺杆压缩机在正常工况、高温工况、低温工况、最大压差工况下运行时都能保持较高的效率,实现了在变工况运行时的节能效果.这种调节机构的提出解决了在变工况时螺杆压缩机由于内容积比不匹配造成的过压缩或者欠压缩带来的损失,保证了螺杆压缩机运行功耗的最小化,提高了螺杆压缩机运行效率,取得了良好的节能效果另外,在螺杆压缩机系统中,原来采用的润滑系统分为油泵系统和压差系统.油泵系统在机组启动时能立即给轴承等供油,但一旦油泵发生故障,机组运行就相当危险,而且流量固定,造成了在高压下工作时油量不足,低压下工作时油量过剩,耗功增加压差系统正好相反,排压越高,油流量越大,但在机组刚启动时没有足够的供油量.为了保证螺杆压缩机启动时有足够的油量,在变工况运行时仍有合适的油量供应,降低机组功耗,提高机组可靠性,因此本项目开发了油泵供油结合压差供油的润滑系统克服了两者的缺陷同时拥有了各自的优点.为了保证整个润滑系统的可靠运行,本项目还开发了一种专用的双作用转子活塞油泵,具有效率高、可靠性好的特点。

    螺杆压缩机设计计算软件开发
    螺杆压缩机设计理论表明,在确定螺杆转子型线、吸排气孔口及啮合间隙等设计参数时,需要综合考虑这些设计参数对压缩机热力性能和动力特性的影响,这只有经验丰富的专业人员利用前述的复杂模型和程序才能完成.然而,实现成果广泛应用的关键之一,就是需要使生产企业的工程师有自主设计能力.为此,本项目开发了具有自主知识产权的SCCAD螺杆压缩机设计计算软件,把前述的螺杆压缩机设计理论和关键技术等内容进行集成,是国际上最先进的螺杆压缩机设计计算软件,能快速进行螺杆压缩机的设计计算,缩短设计周期,降低设计成本,解决了螺杆压缩机生产企业自主设计螺杆压缩机的窘境软件的核心内容是螺杆转子型线、几何特性、热力性能、转子受力、转子变形以及转子刀具刃形等6项设计计算模型及程序,具体内容如下转子型线计算.根据对型线的基本要求和使用场合的特殊要求,给定某转子型线上的组成齿曲线,根据啮合原理和包络条件,求出另一转子上的共轭型线曲线.根据转子型线计算程序,可计算出转子型线上各点的坐标值及表明该点啮合位置的阳转子转角,同时还可计算出型线在各点的斜率,以供其他程序使用几何特性计算.由SCCAD软件中的几何特性计算程序读入转子型线计算结果,再考虑转子结构参数(如长径比、扭转角)和孔口参数,进一步计算出诸如接触线长度、泄漏三角形面积、吸排气孔口面积及基元容积的变化等几何特性工作过程热力性能预测.在几何特性计算的基础上,以基元容积为研究对象,对工作过程中的吸排气流动、通过不同间隙的泄漏、喷油与被压缩气体间的换热等现象,进行系统的理论分析和试验验证从而得到描述螺杆压缩机工作过程特性的一组偏微分方程,求出工作过程中压缩腔内气体的压力、温度等微观性能参数,并求出压缩机的排气量、轴功率等宏观热力性能参数转子受力计算.SCCAD软件的转子受力分析程序,是在工作过程模拟基础上,利用有限元方法,通过详细划分受力面积和精确确定作用在这些微元面积上的压力,得到转子受力和支撑转子的轴承负荷转子变形计算.在工作过程模拟和转子受力分析的基础上,利用有限元方法,计算阴阳转子的变形,其计算结果对刀具刃形的修正具有重要的意义刀具刃形计算.利用端面型线的数据和转子结构参数,计算刀具刃形,因而适用于任何类型的转子端面型线.该程序利用“不等距法”计算啮合间隙并合理分配转子间隙,在节圆附近设置了宽度为~4mm的驱动带,而且独到地处理刀具刃形计算中常出现的干涉和断点问题,得到了光滑过渡的刀具刃形软件运用VisualBasic程序设计语言开发了基于Windows的窗式用户界面,图17为软件的主界面及转子型线计算程序的输入数据对话窗口。
    结论

    本文以流程工业生产系统为背景 , 从复杂网络理论这一新的角度出发对复杂工业系统的安全性评估进行了研究. 利用复杂网络理论分析了工业系统的网络拓扑特性 ,提出了一种依据网络拓扑特性对系统安全性进行评估的方法, 并给出了具体的模拟算法步骤. 对于 TE 过程的网络特性分析和安全性模拟仿真的结果表明, 本文方法可以从复杂网络的角度来分析和理解系统连锁故障的物理本质, 识别系统脆弱点. 为了从根本上认清系统连锁故障的机理,本文设计了实用防控策略 ,从而为流程工业生产提供了新的途径. 由于复杂网络理论研究尚处于初步阶段,因此还需要在工业系统特点的基础上对系统网络的抽象、网络特性的定义和描述上做进一步的研究,使其能够更加精确地反应真实的工业系统。


本文由 饲料膨化机单螺杆 整理编辑。


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