螺杆膨胀机转子力变形分析.pdf

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1、第53卷第5期2016年10月化工设高与鼍遵PROCESSEQUIPMENT&PIPINGVbl．53N0．50ct．2016螺杆膨胀机转子力变形分析袁玮玮，刁安娜，王亚洲，陆征(中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海200072)摘要：提出了利用流固耦合方法对螺杆膨胀机转子的力变形进行分析，采用有限元分析方法模拟内部流场，计算出气体压力，将其耦合到转子表面，计算出转子的变形量。与传统计算方法相比，该方法的优点在于不再依赖经验值，并且气体压力计算更为准确，通过模拟流场直接计算出气体压力，代替传统方法的预估值，

2、从而提高了计算结果的准确性。关键词：螺杆膨胀机；力变形；流固耦合中图分类号：TQ050．2；TH123文献标识码：A文章编号：1009．3281(2016)05—0048—005在螺杆膨胀机的设计开发中，转子间隙设计是非常重要的一个方面，直接影响到螺杆膨胀机的运行效率。若间隙设计过小，将导致转子擦缸、毁坏等异常情况；若间隙设计过大，尽管机组可以正常运行，但其运行效率会非常低。因此，合理的间隙设计是决定螺杆膨胀机性能的关键因素之一。对于螺杆机械的间隙研究，国内外很多学者都做了相关的研究工作。K-ovacevic【

3、11利用cFD方法对螺杆压缩机进行了流场分析，验证了数值模拟仿真的准确性；曹锋口1利用弹性力学和有限元方法计算了转子力热变形并进行了验证，解决了三维螺杆转子变形只能简化为二维计算的问题：杨炳春【3】对转子在不同工况下热力变形进行了研究，发现转子力变形比热变形小得多，转子沿接触线的径向变形量与温度呈线性变化趋势；吴华根【41利用有限元方法对螺杆空压机阴阳转子所受气体力进行了分析计算，提出了实现转子受力计算的有效、快速的方法并对其进行了验证；吴慧媛吲利用动网格技术对螺杆压缩机的工作过程和流场动力学特性进行了动态模拟

4、仿真，总结了螺杆压缩机p．V变化规律。转子间隙设计主要考虑两个方面：一方面是热变形，即温度对转子的影响：另一方面是力变形，即压力对转子的影响。其中，力变形的计算是一个难点，一方面气体在工作腔内不断膨胀，压力在发生变化；另一方面转子齿面形状复杂，计算起来难度较大。以前受技术条件局限，对螺杆膨胀机转子受到的气体力计算大多采用近似方法，即根据转子在不同转角下的压力分布规律，来对相应的工作腔施加压力，从而近似地计算出转子的力变形量。但是，随着加工精度的提高，这种方法已逐渐无法满足当今的技术要求，并且不断发展的计算机技术

5、客观上也允许了对螺杆膨胀机流场进行更加复杂的计算，因此，本文利用流固耦合方法对螺杆膨胀机转子的力变形进行分析，通过模拟内部流场，计算出气体对转子的作用力，进而计算出转子的变形量，最终目的是分析螺杆膨胀机运行时气体对转子的影响，对实际生产加工起到一定的指导作用。1传统计算方法的局限性传统力变形计算方法大多采用近似方法，即将转子沿接触线一分为二，一侧为高压，一侧为低压。低压侧均设为螺杆膨胀机排气压力，高压侧则按各个工作腔与转子转角的关系，根据经验值赋予相对应的压力，继而计算出转子力变形量。这种方法存在两个明显的缺陷

6、：(1)各工作腔气体压力很难准确设定。通常情况下，气体压力的设定都是参考前人所总结的压力变收稿日期：2016．06．16基金项目：中国石油天然气股份有限公司项目：中国石油庆阳石化公司蒸汽系统优化改造节能项目——双螺杆膨胀动力机组。作者简介：袁玮玮(199l一)，男，江苏南通人，在读硕士研究生。研究方向：螺杆膨胀机设计研究。2016年10月袁玮玮，等．螺杆膨胀机转子力变形分析化规律，但是随着转子型线、长径比、内容积比等参数的改变，都会影响到膨胀机内部压力的变化规律，因此，单纯地根据经验值很难对当下机型的压力值进行

7、准确的预估。(2)螺杆膨胀机工作腔内的流体流动为紊流，流体流速、流向变化非常剧烈，从而导致工作腔内各处压力也存在明显差异，因此，简单地对各工作腔施加均布压力并不能反映内部流场的真实情况。正因为此，本文提出利用流固耦合方法来计算转子的力变形，不再依赖经验值，通过模拟出流场，真实地反映出螺杆膨胀机内部压力状况，从而提高了计算结果的准确性。2流固耦合数值仿真2．1原理(1)流体控制方程在螺杆膨胀机工作腔中，流体需满足质量方程、动量方程和能量方程‘61。质量方程：鲁+V·(pfV)=o动量方程：寒孚+v．(陆w一矗)=

8、歹dr⋯o能量方程：亟％竽一鲁+V．(pf讷。)df⋯⋯7=V·(^V丁)+V·(v·西)+1，·p∥+．5；其中，f为时间，五为体积力矢量，风为流体密度，v为流体速度矢量，．ji。。为流体总焓，A为导热系数，品为能源源项，r为温度，％为剪切力张量，可表示为：矗=(叩+∥V。V)，+2∥P其中，p为流体压力，∥为动力黏度，，为不变量，P为速度应力张量，P=告(Vv+Vv7)。密度／(k