某型號雙螺桿壓縮機排氣孔口結構改進設計

饒 靜，鄭 青

(信陽學院 外國語學院，河南 信陽 464000)

1 引言

雙螺桿壓縮機憑借著動力平衡性好、返修率低、壽命長、有良好的輸氣量等優點，已被廣泛應用在石化、能源、冶金、電力、制藥等領域[1]。目前部分學者主要研究集中在雙螺桿壓縮機轉子型線設計方面，在雙螺桿壓縮機主機宏觀結構改進設計方面研究者甚少。目前在雙螺桿壓縮機排氣過程中，隨著排氣孔口開度面積的迅速增加和壓縮容積的減小，工作腔內的氣體開始向排氣孔口流動，這種壓縮容積周期性的變化，必然引起速度和壓力產生周期性的變化，形成排氣氣流脈動性較強。因此排氣孔口形狀設計的合理性顯得尤為重要。

本研究為實現雙螺桿壓縮機排氣孔口排氣面積最大化、氣流流道沿程阻力損失小的目標，在遵循排氣孔口設計條件的前提下，對雙螺桿壓縮機排氣孔口進行結構優化設計，力求減小出口壓力波動，最后以試驗測試數據為依據，將排氣孔口改進前后的數值仿真模擬數據與試驗進行對比，驗證了排氣孔口改進后的可行性與可靠性。

2 雙螺桿壓縮機結構組成

螺桿壓縮機是一種具有2個平行配置并相互嚙合的螺旋形轉子在機殼內做回轉運動的容積氣體壓縮類機械[2-3]。機頭作為機組中最重要的部件，主要由機殼、陰陽轉子、油封、軸承等零件組成。

3 排氣孔口的參數化建模及改進設計

3.1 雙螺桿壓縮機排氣孔口的參數化建模

排氣孔口的位置布置和結構形狀對雙螺桿壓縮機的軸功率、排氣量、內壓比具有一定影響 ，因此在設計時應保證氣體在齒間容積內實現預定的內壓縮率。

(1)排氣起始角

排氣起始角數值大小，均通過吸氣角度α1s數值大小的范圍，以及內壓縮轉角數值φ1c保證。陽轉子排氣角度α1d為

(1)

A0--齒間面積

ε--內容積

τ1z--扭轉角

a1d=β+τ1z-φ1c-Δφ

(2)

根據齒間容積同時排氣和吸氣的工作原理，可得陰轉子排氣口起始角度值

(3)

由上述公式計算得陽轉子排氣起始角度值44°，陰轉子97°。

基于上述計算結果，對雙螺桿壓縮機排氣口的形狀和位置進行繪制排氣口主要由1-2-3-4-5-6-7-8-1幾段曲線連接而成，其中曲線段1-8、3-4為別為陰、陽轉子齒間容積前方齒的背段型線[2]。曲線段5-6-7為陰、陽轉子型線的高壓側嚙合線形狀，曲線段7-8、4-5分別為陰、陽轉子型線的齒根直徑，1-2-3是與型腔內圓周壁相重合。在考慮到實際制造工藝上的需求，用一小段圓弧代替6處的尖點形狀，如圖1所示。

3.2 排氣孔口結構改進設計

3.2.1 排氣孔口處氣流脈動形成機理

雙螺桿壓縮機排氣孔口位置和形狀布置的可靠性，是保證氣體實現充分內壓縮和減小排氣阻力的必須考慮的情況，也是判斷雙螺桿壓縮機是否高效可靠的必要條件[5-7]。從圖2分析發現排氣孔口變化形狀并不規則，并且隨著轉子的轉動排氣口面積將不斷變化。這種不規則連通面積的循環、瞬態變化特點，必然使壓縮氣流產生較大的氣流紊亂現象，引起異常的流體振動。因此，對雙螺桿壓縮機排氣孔口進行結構優化設計，力求減小出口壓力波動是必要的。

圖2 轉動一周排氣孔口形狀變化圖

3.2.2 排氣孔口結構改進

雙螺桿壓縮機是通過轉子螺旋齒面與氣缸內壁面所構成的V形齒間基元容積作周期性地變化進行壓縮，在壓縮過程中齒間封閉容積由大變小時，氣體受到擠壓，導致壓力沖擊波動較大、溫度上升梯度較快的現象出現。在圖3(a)排氣孔口改進前，曲線段1-2-3為陰陽轉子外圓曲線，在交點2處呈現尖點，曲線段5-6-7為型線高壓側嚙合線形狀，在點6處出現尖點，這2處氣流排出通道截面的不規則性，勢必會引起排氣壓力波動及氣體流動損失增加。

圖3 螺桿壓縮機排氣孔口結構改進

為了降低排氣口附近氣流脈動誘發的氣動噪聲，使氣體迅速、完全、徹底排，對雙螺桿壓縮機排氣孔口進行改進設計，根據工程實際經驗將傳統結構中的曲線段1-2-3處改進設計為矩形槽形狀，將其設計為如圖3(b)排氣孔口改進后，其目的是降低氣流流速，增大排氣口氣流緩沖容積，從而消除封閉狀態。

4 雙螺桿壓縮機流場特性分析

4.1 建立3D流體仿真模型

建立高精度雙螺桿壓縮機流場仿真模型是研究其內部流場動態特性的關鍵之處。為有效模擬雙螺桿螺桿壓縮機吸氣-壓縮-排氣運行狀態，利用本文中的已知的陰陽轉子型線參數及改進設計后的排氣口結構模型分別構造工作腔、進氣孔口、排氣孔口三大流體域模型[8]，如圖4所示。

4.2 網格劃分

考慮到雙螺桿壓縮腔體流體域為復雜異面，為提高仿真的計算效率和結果的準確性，本研究采用Scorg軟件可以很方便的對螺桿機械轉子域部分進行結構化網格劃分，快速實現雙螺桿機械的高質量網格生成和動網格設置，極大提高了網格生成效率，降低CFD分析的難度，轉子區域網格劃分如圖5所示。

圖5 排氣孔口監測點位置圖

4.3 邊界條件和初始參數設置

由于雙螺桿壓縮機內部呈非定常流動性、周期性變化的特點，以及動靜網格嵌套的復雜運動邊界問題，對流體在流場內的運動規律進行初始參數的設置，實現后續仿真結果的可靠性和準確性，設置參數如表1所示。

表1 初始邊界條件參數設置

4.4 排氣孔口結構改進仿真結果對比分析

為了捕捉出口處瞬態變化特性，提高仿真結果的準確性，在兩種排氣孔口相同位置分別建立了動態監測點，如圖5(a)、(b)所示。

排氣孔口改進前后壓力、速度變化仿真結果如圖6所示。

圖6 排氣孔口改進前后壓力、速度變化曲線圖

引用文獻[10]中“壓力脈動不均勻度”計算方法，得到排氣孔口改進前后壓力脈動不均勻度計算值，對比發現改進后壓力波動幅值減弱，改進前出口平均壓力值為0.79927 MPa，壓力脈動不均勻度為0.5261，改進后平均壓力值為0.799416 MPa，脈動不均勻度為0.41，其平均壓力值有所增大，壓力脈動不均勻度卻減小11.6%。假設速度波動幅值定義為最大值與最小值的比值，比值越大，則波動幅值越大。改進前出口平均速度值為-10.1572 m/s，速度波動幅值6.01562，改進后出口平均速度值為-2.72796 m/s，速度波動幅值值為4.52，改進后速度減小了7.43 m/s，速度波動量降低1.49。表明本研究排氣孔口結構改進設計具有合理性。

4.5 仿真結果與試驗對比分析

為確保試驗測結果更加具有可靠性，在雙螺桿壓縮機排氣孔口上端垂直方向布置對應的工藝孔，作為壓力傳感器安裝處。對比結果表明，壓力模擬仿真數據與測量數據吻合度較好，表面雙螺桿壓縮機排氣孔口改進方法具有一定的可行性(圖7)。

圖7 改進前后試驗結果對比圖

5 結論

(1)以雙螺桿壓縮機宏觀結構改進設計為出發點，針對排氣孔口存在氣流脈動誘發的氣動噪聲問題，依據工程實踐經驗對雙螺桿壓縮機排氣孔口進行了結構改進設計，經過仿真對比計算發現，改進后整機壓力值不變，壓力脈動不均勻度減小，速度波動量明顯降低，表明本排氣孔口結構改進方法具有可行性。

(2)以試驗測試數據為依據，將數值仿真模擬數據與試驗進行對比，得到了雙螺桿壓縮出口壓力等測試數據與仿真數據之間的關系，進一步驗證了驗證雙螺桿壓縮機的可靠性，研究結果對后續螺桿壓縮機的優化設計提供一定的理論支撐。