雙螺桿壓縮機(jī)的設(shè)計【包含CAD高清圖紙、文檔所見所得】
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雙螺桿空氣壓縮機(jī)的設(shè)計前 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)動的容積式氣體壓縮機(jī)械。氣體的壓縮是通過容積的變化來實(shí)現(xiàn),而容積的變化又是借壓縮機(jī)的一個或幾個轉(zhuǎn)子在氣缸里作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來達(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),它除了周期性地擴(kuò)大和縮小外,其空間位置也在變更?;剞D(zhuǎn)式壓縮機(jī)靠容積的變化來實(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,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)同時兼有上述兩類機(jī)器的特點(diǎn)?;剞D(zhuǎn)式壓縮機(jī)沒有往復(fù)運(yùn)動機(jī)構(gòu),一般沒有氣閥,零部件(特別是易損件)少,結(jié)構(gòu)簡單、緊湊,因而制造方便,成本低廉;同時,操作簡便,維修周期長,易于實(shí)現(xiàn)自動化。回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的排氣量與排氣壓力幾乎無關(guān),與往復(fù)式壓縮機(jī)一樣,具有強(qiáng)制輸氣的特征?;剞D(zhuǎn)式壓縮機(jī)運(yùn)動機(jī)件的動力平衡性良好,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,它可以和高速原動機(jī)(如電動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、蒸汽輪機(jī)等)直接相聯(lián)。高轉(zhuǎn)數(shù)帶來了機(jī)組尺寸小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)。同時,在轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周之內(nèi),通常有多次排氣過程,所以它輸氣均勻、壓力脈動小,不需設(shè)置大容量的儲氣罐?;剞D(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,不像速度式壓縮機(jī)那樣會產(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)動機(jī)件相互之間,以及運(yùn)動機(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需潤滑,可以保證氣體的潔凈,做到絕對無油的壓送氣體(這類機(jī)器成為無油回轉(zhuǎn)壓縮機(jī))。同時,由于相對運(yùn)動的機(jī)件之間存在間隙以及沒有氣閥,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)動機(jī)件表面多呈曲面形狀,以其嚙合運(yùn)動使工作容積改變,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)動機(jī)件之間或運(yùn)動機(jī)件與固定機(jī)件之間的密封問題較難滿意解決,通常僅以其間保持一定的運(yùn)動間隙達(dá)到密封,氣體通過間隙勢必產(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:單轉(zhuǎn)子和雙轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī),個別情況下還有多轉(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(ALysholm)的專利出現(xiàn)的時候。后來,又發(fā)明了圓弧形齒,非對稱齒形SRM和今天的第四代節(jié)能型?;剞D(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。共46頁 第 1 頁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)計題目來源是自選科研。本課題主要是設(shè)計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)計參數(shù)和設(shè)計要求的條件下,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)計新型轉(zhuǎn)子型線,使接觸線長度、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)計超過現(xiàn)有的值。設(shè)計吸氣孔口的形狀和合理位置,來提高壓縮機(jī)效率。同時,研究型線和孔口配置等因素對噪聲的影響指標(biāo),從而更有效地降低噪聲。通過設(shè)計雙螺桿壓縮機(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)計選型、主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計和機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計;重點(diǎn)研究的是雙螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子型線、幾何特性、工作過程、受力分析、轉(zhuǎn)子加工和主要設(shè)計參數(shù)的確定。通過設(shè)計,能了解設(shè)計的一般要求和規(guī)則,能將理論知識與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系起來。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、動力、冶金、建筑、機(jī)械、制冷等工業(yè)部門。統(tǒng)計數(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)的市場份額仍將不斷擴(kuò)大??梢钥闯?,螺桿壓縮機(jī)的設(shè)計研究在工業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的意義。通過本設(shè)計,可以充分了解雙螺桿壓縮機(jī)的有關(guān)知識,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)??梢詫⑺鶎W(xué)理論知識與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系起來,并積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn),為以后的工作打下了一個堅實(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)動形式而言,又與透平壓縮機(jī)相似。所以,螺桿壓縮機(jī)同時兼有上述兩類機(jī)器的特點(diǎn)。()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,沒有易損件,因而它運(yùn)轉(zhuǎn)可靠,壽命長,大修間隔期可達(dá)4-8萬h.2)操作維護(hù)方便。螺桿壓縮機(jī)自動化程度高,操作人員不必經(jīng)過長時間的專業(yè)培訓(xùn),可實(shí)現(xiàn)無人值守運(yùn)轉(zhuǎn)。3)動力平衡好。螺桿壓縮機(jī)沒有不平衡慣性力,機(jī)器可平穩(wěn)地高速工作,可實(shí)現(xiàn)無基礎(chǔ)運(yùn)轉(zhuǎn),特別適合用作移動式壓縮機(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。()螺桿壓縮機(jī)的主要缺點(diǎn):1)造價高。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格昂貴的專用設(shè)備上進(jìn)行加工。另外,對螺桿壓縮機(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3MPa。3)不能用于微型場合。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,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)動大型風(fēng)鉆的兩級壓縮機(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,越來越被用到對空氣品質(zhì)要求非常高的應(yīng)用場合,如食品、醫(yī)藥及棉紡企業(yè),占據(jù)了許多原屬無油壓縮機(jī)的市場。(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,單級螺桿制冷壓縮機(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)的單級壓力比為1.5-3.5,雙級壓力比可達(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)在以下四個階段:第一代為Lysholm齒形,主要線段由點(diǎn)生成擺線組成,限于當(dāng)年加工條件,主要用于無油螺桿壓縮機(jī);第二代為1964年的對稱圓弧齒形,4+6齒,主要線段由圓弧和與之嚙合的圓弧包絡(luò)線組成,動力用螺桿壓縮機(jī)為主要應(yīng)用對象;第三代為非對稱齒形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,無尖點(diǎn),凡第四代齒形均為節(jié)能型。近年來,人們逐漸對內(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,我國的噴油內(nèi)冷卻的動力用雙螺桿壓縮機(jī)比功率已達(dá)5.56KW( /min),已超過國外產(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),國外螺桿壓縮機(jī)無故障運(yùn)行在7* h,國內(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)計計算軟件,已轉(zhuǎn)交給多家海內(nèi)外企業(yè)應(yīng)用。螺桿壓縮機(jī)在國外占據(jù)80%以上移動式空壓機(jī)市場,國內(nèi)市場因柴油機(jī)方面的原因占份額不大,只有外資產(chǎn)品占有較少市場,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,我國的個別企業(yè)的螺桿壓縮機(jī)已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。今后螺桿壓縮機(jī)的市場份額仍將不斷擴(kuò)大,特別是無油螺桿空氣壓縮機(jī)和各類螺桿工藝壓縮機(jī),會獲得更快的發(fā)展。目前,有人開始研究兩螺桿嚙合過程中磨損問題和潤滑油在齒面上的分布,以提高轉(zhuǎn)子壽命。有文獻(xiàn)報道已可做到無磨損嚙合。在制冷中,對于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。由一對陰、陽螺桿,一個殼體與一對端蓋組成。在倒“8”形的氣缸中,平行地配置著一對相互嚙合的螺旋形轉(zhuǎn)子,分別稱為陰、陽轉(zhuǎn)子。它們和機(jī)體之間構(gòu)成一個“V”字形的一對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,從而完成吸氣-壓縮-排氣的全部過程。一般陽轉(zhuǎn)子與原動機(jī)連接,由陽轉(zhuǎn)子帶動陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。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。一個供吸氣用,稱作吸氣孔口;另一個供排氣用,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、壓縮和排氣三個過程。隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),每對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齒。(1)吸氣過程圖2示出的螺桿壓縮機(jī)的吸氣過程,所討論的一對齒用箭頭標(biāo)出,陽轉(zhuǎn)子按逆時針方向旋轉(zhuǎn),陰轉(zhuǎn)子按順時針方向旋轉(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)的吸氣過程a)吸氣過程即將開始 b)吸氣過程中 c)吸氣過程結(jié)束圖2(a)示出的是吸氣過程即將開始時的轉(zhuǎn)子位置。在這一時刻,這一對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,由于齒的一端逐漸脫離嚙合而形成齒間容積,這個齒間容積的擴(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)過程中,陽轉(zhuǎn)子齒不斷從陰轉(zhuǎn)子的齒槽中脫離出來,齒間容積不斷擴(kuò)大,并與吸氣孔口保持連通。吸氣過程結(jié)束時的轉(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再增加。齒間容積在此位置與吸氣孔口斷開,吸氣過程結(jié)束。(2) 壓縮過程a)吸氣過程即將開始 b)吸氣過程中 c)吸氣過程結(jié)束、排氣過程即將開始圖3示出螺桿壓縮機(jī)的壓縮過程。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,陽轉(zhuǎn)子沿順時針方向旋轉(zhuǎn),陰轉(zhuǎn)子沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)。圖3 雙螺桿壓縮機(jī)的壓縮過程圖3(a)示出壓縮過程即將開始時的轉(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)氣體的壓縮過程,圖3(b)。壓縮過程可一直持續(xù)到齒間容積即將與排氣孔口連通之前。(3)排氣過程圖4 雙螺桿壓縮機(jī)的排氣過程a)排氣過程中 b)排氣過程結(jié)束圖4示出螺桿壓縮機(jī)的排氣過程。齒間容積與排氣孔口連通后,即開始排氣過程。隨著齒間容積的不斷縮小,具有排氣壓力的氣體逐漸通過排氣孔口被排出,圖4(a)。這個過程一直持續(xù)到齒末端的型線完全嚙合,圖4(b) 。此時,齒間容積內(nèi)的氣體通過排氣孔口被完全排出,封閉的齒間容積變?yōu)榱恪? 雙螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線設(shè)計2.1 轉(zhuǎn)子型線設(shè)計原則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、陽轉(zhuǎn)子嚙合時,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)的氣體將通過接觸線中斷缺口,向低壓力區(qū)泄漏。陰、陽轉(zhuǎn)子型線嚙合時的嚙合點(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,會形成一個空間曲邊三角形,稱為泄漏三角形。若嚙合線頂點(diǎn)距陰、陽轉(zhuǎn)子齒頂圓的交點(diǎn)較遠(yuǎn),則說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,不能立即開始吸氣過程,就會產(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)計原則 ()滿足嚙合要求。螺桿壓縮機(jī)的陰、陽轉(zhuǎn)子型線必須是滿足嚙合定律的共軛型線。()形成長度較短的連續(xù)接觸線。為了盡可能減少氣體通過間隙帶的泄漏,要求設(shè)法縮短轉(zhuǎn)子間的接觸線長度。()應(yīng)形成較小面積的泄漏三角形。()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。()齒間面積盡量大。較大的齒間面積使泄漏量占的份額相對減少,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所示的四個坐標(biāo)系:圖5 坐標(biāo)系關(guān)系圖1)固結(jié)在陽轉(zhuǎn)子的動坐標(biāo)系2)固結(jié)在陰轉(zhuǎn)子的動坐標(biāo)系。3)陽轉(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、陽轉(zhuǎn)子之間是定傳動比嚙合,故有:(1) 式中,2、1為陰、陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角;n2、n1為陰、陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;2、1 為陰、陽轉(zhuǎn)子角速度;R2t、R1t為陰、陽轉(zhuǎn)子節(jié)圓半徑;z2、z1為陰、陽轉(zhuǎn)子齒數(shù);i為傳動比; A為陰、陽轉(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坐標(biāo)系中,這些坐標(biāo)之間的變換關(guān)系式如下:a) 動坐標(biāo)系與靜坐標(biāo)系的變換 (2)b) 動坐標(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) 動坐標(biāo)系與動坐標(biāo)系的變換(5)e) 動坐標(biāo)系與動坐標(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)計轉(zhuǎn)子型線時,通常先在陽轉(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于陽轉(zhuǎn)子運(yùn)動時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(1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 單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線本設(shè)計采用我國規(guī)定的螺桿壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的單邊不對稱擺線-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 單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線a)型線 b)嚙合線這種單邊不對稱擺線-銷齒圓弧型線與原始不對稱型線的主要區(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。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處于陽轉(zhuǎn)子外圓之內(nèi),保護(hù)了對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,使通過泄漏三角形的泄漏量增加。為此,通常限制直線段DE的長度在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 AB方程陰轉(zhuǎn)子上的AB為一徑向直線,其方程為:(22)參數(shù)2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。 GH方程陽轉(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。 嚙合線方程AB和GH嚙合時的嚙合線方程,可按式(21),通過把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HIBC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。HI方程陽轉(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嚙合。把式(33)代入式(32),得到簡化后的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 的瞬時嚙合,而且是沿著整個圓弧段同時嚙合。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CDI點(diǎn)方程陽轉(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:CD方程陰轉(zhuǎn)子上的CD曲線是與陽轉(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度,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為e=0.625%A。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,其嚙合線就是以陽轉(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)動軌跡。3) D點(diǎn)與IJD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。IJ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 r J方程在直角三角形O2DP中, (53)在直角三角形O1O2J中,(54) 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JKDE方程陰轉(zhuǎn)子上的DE為一徑向直線,其方程為(56)參數(shù)2的變化范圍為(57)JK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)2與轉(zhuǎn)角參數(shù)1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。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 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) 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,這說明節(jié)圓圓弧的共軛曲線仍為節(jié)圓圓弧。 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)子螺桿長度 L=(L/De1)De1中心距 A=0.5(d1+d2)陰轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)角 2=1/i陽轉(zhuǎn)子的導(dǎo)程 b1=360L/1陰轉(zhuǎn)子的導(dǎo)程 b2=360L/2陽轉(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 =arctg(b1/2r1)= arctg(b2/2r2)本設(shè)計中壓縮機(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。取陽轉(zhuǎn)子圓周速度u1=10m/s,則陽轉(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,在對轉(zhuǎn)子型線的各段組成齒曲線建立方程逐個確定其參數(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) 陽轉(zhuǎn)子齒間面積陽轉(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、有效工作段長度為L,則齒間容積V為 (71)由上式,可得陰、陽轉(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,陰、陽轉(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描述容積的變化,可以使復(fù)雜的空間問題轉(zhuǎn)化為簡單的平面問題。如圖6所示,當(dāng)陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到齒1,即將侵占陽轉(zhuǎn)子齒1后的齒間面積A01位置時,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轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角為零,即1=0。此后,陽轉(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的轉(zhuǎn)子位置從壓縮過程開始點(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,可得到陽轉(zhuǎn)子的齒間面積被陰轉(zhuǎn)子齒侵占的齒間面積A0r隨陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角1的變化曲線,如圖7(a)所示。同理,可得到陰轉(zhuǎn)子A2r的齒間面積被陽轉(zhuǎn)子齒侵占的齒間面積隨陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角1的變化曲線,如圖7(b)所示。將兩圖疊加,得到圖7(c),它表示一對齒間面積Ar被侵占值轉(zhuǎn)角1的關(guān)系。圖7 齒間面積侵占圖a)陽轉(zhuǎn)子齒間面積被侵占圖b)陰轉(zhuǎn)子齒間面積被侵占圖c)一對齒間面積被侵占圖圖7中,1z為陽轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)角,1z=300,螺旋角=0.6781,而(75)齒間容積減少的數(shù)值可用Ar-1曲線下的面積求得,即(76)由式(75)可得到齒面間容積對的容積減少值與轉(zhuǎn)角j1的關(guān)系曲線,如圖所示??煞秩齻€階段:第階段(0j1j1k):該階段結(jié)束時齒間容積減少值為V1k=T1/(2p)S0第階段(j1kj 1t 1z):該階段容積減少值為 (77)該階段結(jié)束時,齒間容積總的減少值為 (78)第階段(t 1zj 1t 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,完成壓縮和排氣過程。同時,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)氣體的壓縮過程終止于第階段,則 (82) (83)做近似計算,氣體的壓縮過程終止于第階段,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)計算螺桿壓縮機(jī)的熱力學(xué)計算的目的,是為了求出在壓縮過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)計計算中,對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)計算上只能采用十分簡化的模型,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為壓縮過程結(jié)束時的容積值;Vo為吸氣過程結(jié)束時的容積值;為壓縮機(jī)的內(nèi)容積比;m為多方壓縮過程指數(shù)。將已知數(shù)據(jù)代入上式得:=0.8/0.1=85.2 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,為單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的齒間容積之和,它只取決于壓縮機(jī)的幾何尺寸和轉(zhuǎn)速。若令=L/D1,則有 (89)查手冊得: =0.4696;查手冊得: =0.971(陽轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)角為300);長徑比l =L/D1=1.35;D1=102mm;陽轉(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,計算式為 (90)式中V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)吸氣過程看作等壓過程吸進(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) 吸氣過程指示功W1為 (93)(2)壓縮過程看作絕熱過程壓縮過程結(jié)束時,齒間容積總的減少值V2z為= =壓縮過程結(jié)束時,齒間容積V2為 = =(94)壓縮終溫Td為,因?yàn)橛幸欢崃總鞒觯?nk=1.4,取n=1.10=360.078(K)(95)壓縮過程指示功W2為,空氣的絕熱系數(shù)k=1.4(96)(3)排氣過程看作等壓過程排氣過程指示功W3 (97)總的指示功W為(98)5.3.2.軸功率(1) 指示功率PiPi=(99)W為指示功,n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速,n=3000r/min。軸功率(100)m為機(jī)械效率,一般m =0.90-0.98,取m =0.96。5.3.3.絕熱效率ad螺桿壓縮機(jī)的絕熱效率ad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 電動機(jī)功率5.4.1.傳動效率采用增速齒輪傳動,其傳動效率ht=0.97-0.99,取ht=0.98。5.4.2電動機(jī)功率一般電動機(jī)功率均滿足選配大于軸功率,電動機(jī)動余度為:xd=1.05-1.15,取xd=1.10,電動機(jī)功率(102)5.5 電功率本設(shè)計采用封閉式三相交流異步鼠籠式電動機(jī),其型號為Y280S-2,電動機(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)計由于空氣壓縮機(jī)的市場競爭非常激烈,因此空氣壓縮機(jī)多被設(shè)計為系列化、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軸承來承受。排氣端的轉(zhuǎn)子工作段與軸承之間有一個簡單的軸封,通過在機(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)計算用虛功原理對螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行動力分析,徑向力的計算歸結(jié)為基元容積投影的幾何性質(zhì)的計算,將復(fù)雜的空間問題轉(zhuǎn)化為簡單的平面問題。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)平衡問題的普遍原理;而后者用平衡的觀點(diǎn)來處理動力學(xué)問題。無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,則任一瞬時作用在該理想約束的質(zhì)點(diǎn)系上的主動力與慣性力在質(zhì)點(diǎn)系任意虛位移中的元功之和為零。這稱為動力學(xué)普遍方程或達(dá)朗伯-拉格郎日方程。瞬時基元容積內(nèi)的氣體對轉(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)主動力在dj上所做的功等于瞬時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)因合力對任一軸的矩等于各力對同一軸的矩的代數(shù)和,所以Tg可通過計算瞬時基元容積在XOZ、YOZ平面投影的靜矩M求出,(107)由(105)、(106)、(107)式 (108)7.1 徑向力的計算7.1.1.坐標(biāo)系計算瞬時基元容積投影的靜矩時,采用下圖所示的坐標(biāo)系:圖8 轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系O1Z1-陽轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)軸;O2Z2-陰轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)軸;X1O1Y1位于陽轉(zhuǎn)子吸氣端面;X2O2Y2位于陰轉(zhuǎn)子吸氣端面;陽轉(zhuǎn)子以1作逆時針旋轉(zhuǎn);陰轉(zhuǎn)子以2作順時針旋轉(zhuǎn)。7.1.2.計算工況取基元容積與排氣孔連通時作為計算工況,此時轉(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,作用在陽轉(zhuǎn)子上總的徑向力T1為:7.2 軸承支反力陽轉(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、陰轉(zhuǎn)子型面軸向力,正號表示指向吸氣端;負(fù)號表示指向排氣端。 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)氣體壓縮過程的必備條件,也是實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)效率的一個重要因素。為此,在設(shè)計吸氣孔口時應(yīng)該滿足一系列的要求: 吸氣孔口應(yīng)盡量減少吸氣封閉容積的影響。 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。 氣體在吸氣孔口處及齒間容積內(nèi)的流動損失要小。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稱型線,當(dāng)陰轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)過兩轉(zhuǎn)子的齒頂圓交點(diǎn),并與陽轉(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 = 0b 范圍內(nèi)不能布置吸氣孔口,會產(chǎn)生大小不同的吸入封閉容積。當(dāng)陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過兩轉(zhuǎn)子的中心線后,處于壓縮過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程,吸氣孔口應(yīng)盡量靠近兩轉(zhuǎn)子的中心連線,即陽轉(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。陽轉(zhuǎn)子的軸向吸氣角a1s由下式確定:1z=3/2=0.6781 (121) (122)陰轉(zhuǎn)子軸向吸氣角a2s為 (123)考慮到實(shí)際氣體流動滯后的因素,可適當(dāng)選取比式(123)計算結(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,還將機(jī)體沿軸向挖空作為徑向吸氣孔口。本設(shè)計采用混合吸氣孔口,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) 排氣開始角對所要求的內(nèi)容積比,必有一個對應(yīng)的排氣孔口。陽轉(zhuǎn)子排氣角a1d為:相應(yīng)的陰轉(zhuǎn)子排氣角度,可根據(jù)陰、陽轉(zhuǎn)子齒間容積同時排氣的原則由下式計算:(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,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,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,陽轉(zhuǎn)子的外圈螺旋線。9主要零部件設(shè)計和選材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。對吸排氣通道的要求是平滑過度和流速低,以減少流動損失。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。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,故都采用滾動軸承。采用深溝球滾動軸承,型號為6006,既能承受軸向載荷,也能承受徑向載荷。軸承采用脂潤滑。9.1.4.軸封噴油螺桿空氣壓縮機(jī)都采用滾動軸承,為了防止壓縮腔的氣體通過轉(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軸封。在螺桿壓縮機(jī)正常工作時,吸入端的轉(zhuǎn)子工作段與軸承之間幾乎沒有壓差,所以,在吸氣端的轉(zhuǎn)子加工段與軸承共46頁 第 45 頁之間,只用間隙密封就能滿足要求,沒有必要再提供密封油。在小型壓縮機(jī)中,通常采用簡單的唇型密封。10.雙螺桿空氣壓縮機(jī)壓力脈動理論計算氣流脈動現(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)沒有排氣閥,但由于在壓縮機(jī)的排氣過程中,排氣口的面積是變化的,在不同的時刻通過排氣孔口的氣體流量不同,因而不可避免地會產(chǎn)生排氣流量脈動。另外,由于不設(shè)排氣閥,當(dāng)設(shè)計工況與實(shí)際工況不一致時,在工作容積與排氣孔口連通的瞬時,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突變,這些氣流流量的脈動均會產(chǎn)生壓力的脈動。10.1.氣流脈動的數(shù)值模擬10.1.1. 一維非定常氣流方程組及其解法 對于等截面管內(nèi)的一維非定常氣體流動,由連續(xù)方程.動量方程及能量方程構(gòu)成描述其運(yùn)動規(guī)律的方程組。將方程組無量綱化,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)的號碼,上標(biāo)指無因次時刻值。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時刻的值,按兩步法規(guī)則,推出時刻的值。圖11 L-W購步法圖示當(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)將所要計算的管道系統(tǒng)劃分為9個單元,每個單元 的取值為0.01,的取值為0.02。通過公式(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,此方法不能計算邊界點(diǎn)1和n的參數(shù)值。對于邊界點(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,這種方法對工程計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)一步簡化為壓縮機(jī)排氣管異徑管容積腔,即兩個邊界點(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)簡圖對雙螺桿壓縮機(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間變化的離散值。需要指出的是,對陽轉(zhuǎn)子而言,當(dāng)它從排氣開始到排氣結(jié)束所轉(zhuǎn)過的角度大于/(為陽轉(zhuǎn)子的齒數(shù)),此時在壓縮機(jī)一
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