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設(shè)計設(shè)究廣棱桿壓縮機轉(zhuǎn)子型線設(shè)計與數(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)計或選型方法。針對設(shè)計完成的棱桿壓縮機試驗樣機，采用CFD分析軟件進行了動態(tài)數(shù)值模擬。仿真結(jié)果表明，該壓縮機不僅具有優(yōu)良的內(nèi)壓縮過程，而且可以達到非常高的壓縮壓力。

　　1概述棱桿壓縮機作為種新穎的具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的回轉(zhuǎn)容積式壓縮機（發(fā)明專利號：ZL200610042114.8），與目前占有市場優(yōu)勢的螺桿壓縮機相比，具有轉(zhuǎn)子加工簡單、泄漏通道少（無泄漏三角形、進排氣口設(shè)計靈活、軸承選擇要求低、運轉(zhuǎn)速度低、制造成本低、工作效率高等諸多優(yōu)越性能。

　　棱桿壓縮機具有寬廣的適用范圍，凡是能夠適用螺桿壓縮機的場合，基本也適用棱桿壓縮機。在現(xiàn)有工業(yè)技術(shù)的基礎(chǔ)上應(yīng)用棱桿壓縮機技術(shù)，可以最大限度地繼承現(xiàn)有的螺桿壓縮機技術(shù)，如在棱桿壓縮機轉(zhuǎn)子型線的選擇與設(shè)計方面，以及在棱桿壓縮機的軸承、軸封、同步齒輪、整機結(jié)構(gòu)等的選型與設(shè)計方面，都可以充分利用現(xiàn)有螺桿壓縮機的技術(shù)成果，這為棱桿壓縮機的推廣和本文根據(jù)棱桿壓縮機的工作原理，設(shè)計了雙邊對稱圓弧型轉(zhuǎn)子型線，并進行了試驗樣機的主要零部件設(shè)計，然后對其壓縮過程進行了基于CFD的數(shù)值模擬。

　　2轉(zhuǎn)子型線設(shè)計棱桿壓縮機中，轉(zhuǎn)子的型線設(shè)計是整個棱桿壓縮機設(shè)計中的關(guān)鍵任務(wù)。根據(jù)嚙合規(guī)律，棱桿壓縮機陽、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。

　　與螺桿壓縮機類似，棱桿壓縮機的轉(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。對于螺桿壓縮機而言，由于為了盡量降低泄漏三角形對整機泄漏和功耗的影響而設(shè)計了各種各樣的不對稱型線，但對于棱桿壓縮機而言，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)子型線上的尖點和應(yīng)力集中，又保證了棱桿壓縮機的設(shè)計、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轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計過程。

　　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的型線設(shè)計，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)計完成后，又以直徑為2Rit+2R-A或2Ra+2r.的外圓進行了截切，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)子圓弧擺線點擺線圓弧點擺線點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中的轉(zhuǎn)子與螺桿壓縮機中的轉(zhuǎn)子的本質(zhì)差別。

　　同時，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，則可近似計算棱桿壓縮機的內(nèi)壓力比，即上式括號內(nèi)的比值即為棱桿壓縮機的內(nèi)容積比，m為多方過程指數(shù)，可參照螺桿壓縮機的經(jīng)驗數(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)計方法進行設(shè)計。與螺桿壓縮機的轉(zhuǎn)子設(shè)計原則類似，棱桿壓縮機的轉(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，由于棱桿壓縮機的兩轉(zhuǎn)子由同步齒輪帶動旋轉(zhuǎn)，實際上兩轉(zhuǎn)子是不接觸的，因此棱桿壓縮機轉(zhuǎn)子的選材可以比噴油螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子的選材更加寬泛。本文試驗樣機的轉(zhuǎn)子材料選用普通中碳鋼。

　　3其它主要零部件設(shè)計與選型3.1機體機體是棱桿壓縮機的主要零部件之一，它是壓縮機轉(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。

　　由于棱桿壓縮機的進排氣口安排比螺桿壓縮機更加靈活，因此進排氣口既可以設(shè)計成徑向吸排氣，也可以設(shè)計成軸向吸排氣。此外，棱桿壓縮機的缸體也可以根據(jù)需要設(shè)計成單層壁結(jié)構(gòu)或雙層壁結(jié)構(gòu)。另外，棱桿壓縮機的機體材料也可以根據(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。

　　本文所涉及的試驗樣機采用一側(cè)端蓋與缸體鑄成一體的結(jié)構(gòu)形式，進排氣口都設(shè)計成徑向吸排氣結(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的關(guān)鍵零部件之一，與螺桿壓縮機類似，棱桿壓縮機所用的軸承也分為滾動軸承和滑動軸承兩種，在非大型棱桿壓縮機中一般都選用滾動軸承。但由于棱桿壓縮機的陰陽轉(zhuǎn)子型面是直齒面，轉(zhuǎn)動過程中不會產(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，相比于螺桿壓縮機從而減少了軸承的數(shù)量；又因為棱桿壓縮機的轉(zhuǎn)速較低，所以相比于螺桿壓縮機可以用國產(chǎn)軸承代替進口軸承，可以用低精度軸承代替高精度軸承。

　　本文的試驗樣機僅采用了4個市面購置的國產(chǎn)P5級角接觸球軸承。

　　3.3軸封棱桿壓縮機軸封的選擇原則也與螺桿壓縮機類似。對于無油棱桿壓縮機而言，可以選擇石墨環(huán)式軸封、迷宮式軸封或機械式軸封；對于噴油棱桿壓縮機而言，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行密封，也可以采用有油潤滑機械密封。另外，對于棱桿壓縮機而言，軸封的選用可以不區(qū)分進氣端與排氣端。

　　本文的試驗樣機在轉(zhuǎn)子主體段與軸承之間設(shè)計了密封油密封，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轉(zhuǎn)子上的嚙合齒數(shù)較少，因此無論是噴油棱桿壓縮機還是無油棱桿壓縮機，都必須由同步齒輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)子組的同步旋轉(zhuǎn)，所以同步齒輪也是棱桿壓縮機的主要零部件之。

　　與其它設(shè)置同步齒輪機構(gòu)的壓縮機械類似，為了保證轉(zhuǎn)子的嚙合精度，棱桿壓縮機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，同時也為了保證裝配時的安裝調(diào)整方便，同步齒輪采用直齒輪更可靠一些。本文的試驗樣機設(shè)計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)計思路完成的棱桿壓縮機試驗樣機能否實現(xiàn)內(nèi)壓縮過程，針對試驗樣機的簡化模型利用CFD分析軟件采用動網(wǎng)格技術(shù)進行了壓縮過程的動態(tài)數(shù)值模擬。

　　所示為不同轉(zhuǎn)速下試驗樣機壓縮腔體內(nèi)壓力分布的動態(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，兩個轉(zhuǎn)速下在與排氣口相通前已分別達到了2.81MPa和4.23MPa的局部瞬時壓力，并且隨著轉(zhuǎn)速的提高，局部瞬時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能夠?qū)崿F(xiàn)強烈的內(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，完成了棱桿壓縮機試驗樣機轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計，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，介紹了棱桿壓縮機試驗樣機其它主要零部件的設(shè)計與選型方法。利用CFD分析軟件，針對試驗樣機的簡化模型采用動網(wǎng)格技術(shù)進行了壓縮過程的動態(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壓力，證實了棱桿壓縮機能夠?qū)崿F(xiàn)強烈的內(nèi)壓縮過程。