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設(shè)計(jì)設(shè)究廣棱桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬高舉成，張兆合（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海，山東威海264209）設(shè)計(jì)或選型方法。針對設(shè)計(jì)完成的棱桿壓縮機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)，采用CFD分析軟件進(jìn)行了動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬。仿真結(jié)果表明，該壓縮機(jī)不僅具有優(yōu)良的內(nèi)壓縮過程，而且可以達(dá)到非常高的壓縮壓力。
1概述棱桿壓縮機(jī)作為種新穎的具有獨(dú)立自主知識產(chǎn)權(quán)的回轉(zhuǎn)容積式壓縮機(jī)（發(fā)明專利號：ZL200610042114.8），與目前占有市場優(yōu)勢的螺桿壓縮機(jī)相比，具有轉(zhuǎn)子加工簡單、泄漏通道少（無泄漏三角形、進(jìn)排氣口設(shè)計(jì)靈活、軸承選擇要求低、運(yùn)轉(zhuǎn)速度低、制造成本低、工作效率高等諸多優(yōu)越性能。
棱桿壓縮機(jī)具有寬廣的適用范圍，凡是能夠適用螺桿壓縮機(jī)的場合，基本也適用棱桿壓縮機(jī)。在現(xiàn)有工業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)上應(yīng)用棱桿壓縮機(jī)技術(shù)，可以最大限度地繼承現(xiàn)有的螺桿壓縮機(jī)技術(shù)，如在棱桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線的選擇與設(shè)計(jì)方面，以及在棱桿壓縮機(jī)的軸承、軸封、同步齒輪、整機(jī)結(jié)構(gòu)等的選型與設(shè)計(jì)方面，都可以充分利用現(xiàn)有螺桿壓縮機(jī)的技術(shù)成果，這為棱桿壓縮機(jī)的推廣和本文根據(jù)棱桿壓縮機(jī)的工作原理，設(shè)計(jì)了雙邊對稱圓弧型轉(zhuǎn)子型線，并進(jìn)行了試驗(yàn)樣機(jī)的主要零部件設(shè)計(jì)，然后對其壓縮過程進(jìn)行了基于CFD的數(shù)值模擬。
2轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)棱桿壓縮機(jī)中，轉(zhuǎn)子的型線設(shè)計(jì)是整個(gè)棱桿壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵任務(wù)。根據(jù)嚙合規(guī)律，棱桿壓縮機(jī)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比。
與螺桿壓縮機(jī)類似，棱桿壓縮機(jī)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(jī)而言，由于為了盡量降低泄漏三角形對整機(jī)泄漏和功耗的影響而設(shè)計(jì)了各種各樣的不對稱型線，但對于棱桿壓縮機(jī)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(diǎn)和應(yīng)力集中，又保證了棱桿壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)、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(jī)轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計(jì)過程。
所示為凹槽式型面數(shù)為3的陰轉(zhuǎn)子雙邊對稱圓弧型線，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(shè)與陽、陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸相連的同步齒輪齒數(shù)分別為Zi、Z2，則傳動(dòng)比為、中陰陽轉(zhuǎn)子上的組成齒曲線及其對應(yīng)關(guān)系如表1所示。
AB、EF、HI、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(jī)的型線設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)完成后，又以直徑為2Rit+2R-A或2Ra+2r.的外圓進(jìn)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通過尺寸調(diào)整可以使機(jī)體的陰、陽轉(zhuǎn)子內(nèi)腔直徑相等，從而使殼體的應(yīng)力分布與散熱更加均勻，同時(shí)也便于殼體的成型與加工。
表1陰陽轉(zhuǎn)子雙邊對稱圓弧型線組成齒曲線陰轉(zhuǎn)子陽轉(zhuǎn)子圓弧擺線點(diǎn)擺線圓弧點(diǎn)擺線點(diǎn)圓弧上述圓弧段的方程顯然比較容易確定。BC、DE、I、KL段是擺線段，其擺線方程的推導(dǎo)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(guān)系根據(jù)坐標(biāo)變換關(guān)系式及包絡(luò)條件確定。
在轉(zhuǎn)子型線確定的基礎(chǔ)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(jìn)而完成陰陽轉(zhuǎn)子主體部分的造型，如所示。
由圖中可以看出棱桿壓縮機(jī)中的轉(zhuǎn)子與螺桿壓縮機(jī)中的轉(zhuǎn)子的本質(zhì)差別。
同時(shí)，在轉(zhuǎn)子型線確定的基礎(chǔ)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(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸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AM、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(shí)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(jì)算棱桿壓縮機(jī)的內(nèi)壓力比，即上式括號內(nèi)的比值即為棱桿壓縮機(jī)的內(nèi)容積比，m為多方過程指數(shù)，可參照螺桿壓縮機(jī)的經(jīng)驗(yàn)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(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。與螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)原則類似，棱桿壓縮機(jī)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(shè)置密封齒或密封肋。另外，由于棱桿壓縮機(jī)的兩轉(zhuǎn)子由同步齒輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，實(shí)際上兩轉(zhuǎn)子是不接觸的，因此棱桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的選材可以比噴油螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的選材更加寬泛。本文試驗(yàn)樣機(jī)的轉(zhuǎn)子材料選用普通中碳鋼。
3其它主要零部件設(shè)計(jì)與選型3.1機(jī)體機(jī)體是棱桿壓縮機(jī)的主要零部件之一，它是壓縮機(jī)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(jī)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(shí)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(jī)的進(jìn)排氣口安排比螺桿壓縮機(jī)更加靈活，因此進(jìn)排氣口既可以設(shè)計(jì)成徑向吸排氣，也可以設(shè)計(jì)成軸向吸排氣。此外，棱桿壓縮機(jī)的缸體也可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成單層壁結(jié)構(gòu)或雙層壁結(jié)構(gòu)。另外，棱桿壓縮機(jī)的機(jī)體材料也可以根據(jù)需要選用普通灰鑄鐵、球墨鑄鐵、鑄鋼、合金鋼或不銹鋼等不同的材料。
本文所涉及的試驗(yàn)樣機(jī)采用一側(cè)端蓋與缸體鑄成一體的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)排氣口都設(shè)計(jì)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(jī)的關(guān)鍵零部件之一，與螺桿壓縮機(jī)類似，棱桿壓縮機(jī)所用的軸承也分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩種，在非大型棱桿壓縮機(jī)中一般都選用滾動(dòng)軸承。但由于棱桿壓縮機(jī)的陰陽轉(zhuǎn)子型面是直齒面，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中不會(huì)產(chǎn)生軸向力，這樣在采用直齒同步齒輪及沒有軸向吸排氣壓力的情況下，可以僅選擇承受徑向力的向心軸承，相比于螺桿壓縮機(jī)從而減少了軸承的數(shù)量；又因?yàn)槔鈼U壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，所以相比于螺桿壓縮機(jī)可以用國產(chǎn)軸承代替進(jìn)口軸承，可以用低精度軸承代替高精度軸承。
本文的試驗(yàn)樣機(jī)僅采用了4個(gè)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(jī)軸封的選擇原則也與螺桿壓縮機(jī)類似。對于無油棱桿壓縮機(jī)而言，可以選擇石墨環(huán)式軸封、迷宮式軸封或機(jī)械式軸封；對于噴油棱桿壓縮機(jī)而言，在轉(zhuǎn)子主體段與軸承之間可通過一定壓力的密封油進(jìn)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(jìn)行密封，也可以采用有油潤滑機(jī)械密封。另外，對于棱桿壓縮機(jī)而言，軸封的選用可以不區(qū)分進(jìn)氣端與排氣端。
本文的試驗(yàn)樣機(jī)在轉(zhuǎn)子主體段與軸承之間設(shè)計(jì)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(jī)轉(zhuǎn)子上的嚙合齒數(shù)較少，因此無論是噴油棱桿壓縮機(jī)還是無油棱桿壓縮機(jī)，都必須由同步齒輪實(shí)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(jī)的主要零部件之。
與其它設(shè)置同步齒輪機(jī)構(gòu)的壓縮機(jī)械類似，為了保證轉(zhuǎn)子的嚙合精度，棱桿壓縮機(jī)的同步齒輪的精度等級也有較高的要求，般必須在6級精度以上。另外，為防止齒輪的軸向位移導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的正確嚙合關(guān)系遭到破壞，同時(shí)也為了保證裝配時(shí)的安裝調(diào)整方便，同步齒輪采用直齒輪更可靠一些。本文的試驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)了一對直齒同步齒輪，其中與陰轉(zhuǎn)子相連的同步齒輪設(shè)計(jì)成可調(diào)式結(jié)構(gòu)。
4壓縮過程數(shù)值模擬為了考察按上述設(shè)計(jì)思路完成的棱桿壓縮機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)能否實(shí)現(xiàn)內(nèi)壓縮過程，針對試驗(yàn)樣機(jī)的簡化模型利用CFD分析軟件采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行了壓縮過程的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬。
所示為不同轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)樣機(jī)壓縮腔體內(nèi)壓力分布的動(dòng)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(shí)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)的氣體壓力，兩個(gè)轉(zhuǎn)速下在與排氣口相通前已分別達(dá)到了2.81MPa和4.23MPa的局部瞬時(shí)壓力，并且隨著轉(zhuǎn)速的提高，局部瞬時(shí)壓力也隨之顯著提高。
上述數(shù)值模擬結(jié)果一方面反映了棱桿壓縮機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)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(shè)備的實(shí)際情況相致。
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(jī)試驗(yàn)樣機(jī)轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計(jì)，給出了雙邊對稱圓弧型線擺線段型線方程的推導(dǎo)結(jié)果，介紹了棱桿壓縮機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)其它主要零部件的設(shè)計(jì)與選型方法。利用CFD分析軟件，針對試驗(yàn)樣機(jī)的簡化模型采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行了壓縮過程的動(dòng)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(shí)壓力，證實(shí)了棱桿壓縮機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)烈的內(nèi)壓縮過程。
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