双螺杆机械设数值分析解决方案


    1.必要性分析

    1.1 应用背景

    螺杆泵/压缩机是一种应用广泛的通用机械,它由一对或多轴平行布置相互啮合的阴阳转子和机壳组成,依靠运转时容积的变化来吸入、压缩和排出流体。螺杆泵/压缩机具有结构合理、节能环保、液力脉动小、输送介质的粘度范围广、输送流量大、平稳可靠、寿命长等显著的优点,广泛应用于船舶、石油、化工、冶金、电力等领域。

    转子型线的研究一直是螺杆压缩机研究领域的重点内容,转子型线开发的成功与否决定了企业的持续竞争力,开发节能、高效的型线已经成为业界的不懈追求。转子型线要素主要包括接触线、泄漏三角形、封闭容积、齿间面积、长径比、排气孔口面积等。这些参数传统上都是依赖于个人经验,从几何方面分析得出双螺杆泵的型线后手动建立螺杆机械三维模型,然后手动计算分析理论流量效率等参数。这种传统的设计方式严重影响设计效率。

    随着计算机技术的发展,对于螺杆机械的性能预测和分析已开始越来越多地采用数值模拟的方式进行,这种以数值仿真部分代替试验的方式可以快速地对螺杆机械进行数值仿真,预测螺杆机械的排量特性、效率特性、功耗特性以及泄露特性等,有效地加快设计进度、节约设计成本。因此,在螺杆机械的设计开发阶段,亟需一套成熟的设计-仿真一体化的解决方案,可以较快较好地完成螺杆机械的设计及优化工作。

    1.2 双螺杆压缩机工作原理

    通常所称的螺杆压缩机指的是双螺杆压缩机。双螺杆压缩机是一种容积式的回转机械。由一对阴、阳螺杆,一个壳体与一对端盖组成。在倒“8”形的气缸中,平行地配置着一对相互啮合的螺旋形转子,分别称为阴、阳转子。它们和机体之间构成一个“V”字形的一对密封的齿槽空间随着转子的回转而逐渐变小,并且其位置在空间也不断从吸气口向排气口移动,从而完成吸气-压缩-排气的全部过程。一般阳转子与原动机连接,由阳转子带动阴转子转动。在压缩机机体的两端,分别开设一定形状和大小的孔口。一个供吸气用,称作吸气孔口;另一个供排气用,称作排气孔口。

    图1.1 双螺杆压缩机示意图

    螺杆压缩机的工作循环可分为吸气、压缩和排气三个过程。随着转子旋转,每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环。

    2.双螺杆机械仿真难点

    由以上结构原理介绍可知,双螺杆机械结构复杂,对其进行CFD仿真是一项具有高科技含量的技术工作,目前还具有相当大的技术难点,具体如下:

    (1)需要考虑阴阳转子之间极微小的啮合间隙;

    (2)转子区域为大变形区域,需要建立高质量的初始结构网格;

    图2.1 双螺杆压缩机转子区域的高质量结构网格

    (3)需要设置转子部分的动网格,描述由于转子流体域大变形所引起的流场变化;

    (4)对于双螺杆压缩机,需要同时对流场的动力学和热力学特性(泄露、传热,排气孔口流动)的过程进行研究;

    (5)对于双螺杆泵则需要考虑流场内部的空化效应;

    (6)需要考虑由于流场扰动引起的流致振动及噪声。

    由于以上技术难点的存在,目前对于双螺杆螺杆泵及压缩机的公开分析文献较少,主要基于试验分析,数值仿真还未发挥应有的价值。

    3.双螺杆机械仿真解决方案

    基于上述难点,海基科技提出基于SCORG和PumpLinx的数值分析解决方案,为双螺杆机械的设计及仿真提供简便、快捷的方法。

    •  SCORG为专业的螺杆机械前处理软件,专业处理螺杆机械的转子部分的结构网格,可以较快较好地完成双螺杆机械的前处理工作,且该技术在伦敦城市大学已有将近30年的成功使用经验;
    •  SCORG与PumpLinx具备无缝接口,SCORG生成的网格文件可直接输出至PumpLinx进行求解分析;
    •  PumpLinx内置双螺杆机械的模板,可自动设置双螺杆机械运行过程中的复杂动网格;
    • 基于PumpLinx软件功能的完备性,对于双螺杆泵/压缩机的空化以及热力学特性均能较好地分析,且求解速度较快,可最大限度满足用户的工程实际需要。
    • 海基科技具备大量的资深CFD工程师以及外研专家,在双螺杆机械的设计及数值分析研究方面有丰富的工程经验。

    4.工程咨询经验介绍

    4.1 双螺杆压缩机设计研究

    针对某双螺杆压缩机的设计要求,设计多种模型方案,分析研究各设计参数如正常型线、变螺距型线以及变分度圆结构对双螺杆压缩机性能的影响。

    正常型线设计



    图4.1型线设计



    图4.2 型线设计

    变螺距型线设计

     

    图4.3 网格模型

    变分度圆设计

    图4.4 设计结果

    通过对上述设计进行数值分析,得出结果如下:

    图4.5 压缩特性

    —变分度圆和变螺距转子相比均匀转子拥有更高的压缩特性;

    —均匀型线转子2bar出口压力相比3bar出口压力对应更低的压力峰值。


    图4.6 叶间密封线长度(mm)


    图4.7 叶间密封线长度(mm)


    表4.1 泄露三角形面积(mm2)


    • 均匀几何和变型线的转子几何的高压端的泄露三角形面积基本保持一致;
    • 对于变螺距转子,吸入端的泄露三角形面积大于均匀几何的泄露三角形面积,吸出端的泄露三角形面积小于均匀机械的泄露三角形面积;
    • 对于变型线的转子,吸入端的泄露三角形面积与均匀几何相近,但是吸出端的要小于均匀几何。  

    4.2 双螺杆压缩机热力学性能预测

    在型线设计阶段,SCORG可对螺杆压缩机的性能(流量、功率、效率等)进行快速的预测,SCORG热动力学特性预测遵守质量及能量守恒,并综合考虑了喷油、泄露、轴承和密封的影响,因而预测结果与试验值具备高度吻合。如下图为某客户的5-6齿螺杆压缩机模型,在SCORG内输入螺杆压缩机的型线数据,并输入转子速度、进出口压力、进口温度、工作介质参数、喷油的油气质量比、喷油温度、喷油位置、粘度、轴承类型、轴封数量等参数,即可对压缩机进行热力学预测。

    图4.8 螺杆压缩机型线输入



    图4.9  SCORG热力学预测参数输入



    图4.10  压缩机风量预测值与试验值对比



    图4.11  压缩机功率预测值与试验值对比


    由以上热动力学预测结果可知,SCORG可以快速准确地预测压缩机的热动力力学效应,获得螺杆压缩机的风量及功耗特性曲线。作为一种快速的预测手段,SCORG可以在设计阶段配合工程师对螺杆压缩机进行快速的型线设计和优化,为工程师提供准确的有价值的信息,这一点对于螺杆压缩机设计人员来说具有不可忽略的作用。

    4.3 双螺杆压缩机性能分析

    在进行压缩机的性能分析时,过去客户往往不能满足于一维的热力学预测,而希望能对螺杆压缩机或泵进行更为详细的三维CFD数值分析,获得螺杆机械流场的压力、速度、温度以及空化预测,以及更为精确的性能特性曲线。基于SCORG与PumpLinx的联合技术方案即可实现上述目标。

    图4.12 双螺杆压缩机几何模型


    SCORG为专业的双螺杆机械型线分析和前处理软件,通过输入双螺杆机械阴阳转子型线数据和齿数、节距及轴径等相关参数,即可自动生成双螺杆压缩机转子部分结构网格。

     

    图4.13 转子区域网格模型

    SCORG可与PumpLinx实现无缝集成,SCORG生成的转子结构网格可直接输入至PumpLinx。PumpLinx内置有螺杆压缩机的数值分析模板,通过输入螺杆压缩机的齿数、转速、旋转中心等运行参数,即可自动设置螺杆压缩机转子部分的动网格,进而进行流场数值分析。

    图4.14 进出口区域网格模型

    在PumpLinx中调用双螺杆压缩机模板并设置动网格后,设置该分析模型的边界条件和介质参数,即可对该压缩机进行热流体分析预测,部分参数如下表所示:

    表4.2 双螺杆压缩机边界条件


    通过对该双螺杆压缩机进行6000rpm和8000rpm两个工况的预测分析,并最终与另一求解软件和试验值进行对比分析,验证了数值结果的准确性,同时也为双螺杆压缩机的产品优化及性能分析提供了一种更为便利和经济的手段。部分结果如下:

     

    图4.15 压力分布与温度分布(8000rpm)

     

    图4.16 压力腔内压力随旋转角度变化曲线对比(6000rpm,8000rpm)

    由以上结果可知,通过SCORG与PumpLinx的联合作用,可快速进行双螺杆泵或压缩机的产品设计、性能分析和优化设计,实现双螺杆压缩机的产品验证和研发,有效提高工程师的工作效率,缩短研发周期。

    4.4 喷油双螺杆压缩机设计及流场分析

       喷油压缩机设计参数:

    –4/5 “N” 转子型线;

    –中心距,93.00mm;

    –主转子OD, 105.28 mm;

    –L/D 比, 1.55;

    –包角, 306.6º;

    –VI值,1.8;

    –间隙:

    •  啮合间隙 50 µm;
    • 径向间隙 50 µm;
    • 末端间隙 50 µm;




    图4.17 喷油压缩机设计

       喷油压缩机不同于无油压缩机,压缩腔内有油液存在,除润滑作用外,对压缩腔内的温度也有显著影响。这种气液两相的数值分析也是喷油压缩机数值分析的一大难点。

    图4.18 压缩机油液组分浓度分布



    图4.19 喷油压缩机压力和温度分布


    图4.20 密封线处速度矢量及压力分布

    由上述可知,通过这种三维数值分析的方法,可以获得较为准确的压缩机/泵的性能分析结果,从而准确地指导产品设计。

    4.5 其他工程案例

    SCORG软件对螺杆齿数没有限制,可以对1-1、2-3、3-5、4-5、5-6等所有类型的螺杆泵/压缩机进行网格生成,对于阶梯式双螺杆、单螺杆、三螺杆、斜齿泵同样适用,网格文件均可以与PumpLinx联合进行数值分析。以下是部分案例。

    4.5.1 1-1齿双螺杆泵

       

    图4.21 1-1齿双螺杆泵转子网格

    4.5.2 多转子螺杆泵

     

    图4.22  多转子螺杆泵网格模型

    4.5.3 变分度圆螺杆压缩机


    图4.23  变分度圆螺杆压缩机网格模型

    4.5.4 空气压缩马达






    图4.24  空气压缩马达(压力、功率、风量计算结果)

    4.5.5 内嵌式双螺杆



       

    4.25  内嵌式双螺杆

    4.5.6 斜齿式风机

     

    图4.26  几何模型

    技术方案:

    SCORG:转子网格划分;

    PumpLinx:进出口网格划分+CFD求解。

    转子网格:21万,总网格:31万。

    斜齿风机以空气作为流动介质,进出口压差为100kPa,转速为4000RPM。

        

    图4.27  压力分布和温度分布


    表4.3 数值分析结果与试验结果对比


    4.5.7 非常规螺杆机

    图4.28  非常规螺杆机

    4.5.8 阶梯转子式螺杆机

    图4.29  阶梯转子式螺杆机

    4.5.9 内部双螺杆压缩机

    图4.30  内部双螺杆压缩机

    5.仿真价值

    通过应用SCORG + PumpLinx软件,可以进行双螺杆机械的三维几何模型设计和三维数值分析,建立快速高效的双螺杆机械性能预测能力,为研发机构提供更高效的工作方式,并带来更大利益。

    SCORG在压缩机领域已有15年以上的应用历史,被广泛用于知名的压缩机企业和设计研究院,如Howden,RetComp,Carrier,Tuthill等。

    SCORG支持改型设计和双螺杆压缩机的一维热力学预测以及三维CFD的前处理,适用于设计人员和CFD分析人员。

    PumpLinx作为专业的运动机械仿真软件,可以快速实现对双螺杆机械的流场预测,为工程师提供分析和优化依据。

    目前数值模拟技术在产品开发研究中扮演着与试验同等重要的角色。

    在双螺杆机械的设计阶段通过数值模拟技术的介入,可以带来以下几个方面的积极效果。

    1) 数值模拟部分代替试验,减少研发成本。以往的产品设计流程基本依靠试验和工程师的经验,这对于工程师的成长和研发成本都是较大的考验。现代的产品设计研发中,数值模拟经常被用于进行试验前的方案选型。对设计人员的提出的新设计理念、优化参数,可以不必全都采用试验的方法进行验证,而是采用数值模拟软件进行预先的预测验证。通过数值模拟确定有限的试验方案,最后再采用试验来验证数值模拟结果的准确性。通过本软件不仅可以减少研发成本,对于一些极限工况,部分流场信息通过试验方法获取是根本不可能的,只能通过数值模拟手段。

    2) 缩短产品设计周期。双螺杆机械的设计是一个不断改进、优化的过程。这就意味着从设计到试验,再到产品满足要求,中间会出现多次的反复,这样的设计流程通常跟不上型号的进度。试验方法不仅经费投入、人力物力投入巨大,而且通常设计周期较长。数值模拟可以在较短的时间内获得设计人员关心的参数,从而减少了试验设计的次数和时间,缩短产品上市时间。

    3) 性能校核,由于某些不确定因素,对于同一个产品的多次试验工程师可能会得出不同的试验结果而无法判定试验数据的准确性,此时可利用PumpLinx对试验部件进行性能校核,从而确认试验数据的准确性。

    4) 减振降噪,延长使用寿命。PumpLinx可监测双螺杆机械内部某关键位置的压力波动,以获得其瞬态流场特性,进而改进设备的振动噪声特性。


    附.相关软件介绍

    1.专业螺杆机械设计分析及前处理软件SCORG

    SCORG软件是英国PDM Analysis公司的产品,PDM Analysis公司与世界领先的容积式机械制造商、研究中心和高校有超过25年的合作经验,其首创的3D螺杆机械网格生成方法在伦敦城市大学已有15年的应用经验,并于2012年正式推出商业版软件SCORG。SCORG专注于螺杆机械的型线分析、热力学特性计算及CFD网格生成,以帮助工程师快速进行螺杆机械的性能分析和优化设计,使其成为工程师的得力助手。

    作为先进的螺杆机械型线分析及CFD网格生成工具,SCORG具有以下技术特征:


    • 螺杆机械型线分析功能:1)型线编辑功能;2)进出流道设计及其面积随旋转角变化特性分析;3)压缩腔流体二维面积和三维体积随旋转角变化特性分析;4)泄露面积随旋转角度变化特性分析等。


    吸入排出段面积随旋转角变化分析


    • 热力学特性计算功能:软件采用伦敦城市大学N.Stosic教授提出的螺杆压缩机的热动力特性预测方法,根据质量守恒和能量守恒定律,综合考虑压缩机喷油、泄漏、轴承和密封的影响,对螺杆压缩机进行快速的热力学性能预测,获得螺杆压缩机的风量及功耗曲线。大量实例证明,SCORG热力学预测功能与试验值吻合良好,可为工程师快速提供有价值的参考意见。


    P-V图预测


    • 螺杆机械的3D网格生成功能:可根据双螺杆机械的型线文件自动生成高质量的O型结构网格,网格文件可直接输出至PumpLinx软件,实现与PumpLinx的无缝集成,快速实现双螺杆机械的真实流场的数值仿真、性能分析和优化设计工作。


    SCORG结构网格生成

           SCORG与PumpLinx 联合仿真

    2. 专业运动机械CFD分析软件PumpLinx

    PumpLinx 是美国 Simerics 公司特别针对各种运动机械的流体力学模拟计算开发的 CFD 软件。PumpLinx 的核心部分是一个功能强大的CFD 求解器,可求解包括可压缩/不可压缩流体流动的传热、传质、湍流、 空化、自由液面等物理现象。在求解器基础上 ,PumpLinx 提供了多种运动机械模板,用于完成不同运动机械的网格生成、参数设置、非定常计算中动网格设置以及后处理数据自动采集等多项专用功能。它的目标是成为工程师最有力的数值模拟工具, 帮助工程师更好的设计泵、阀、压缩机及其相关的流体系统。

    PumpLinx专业的运动机械模板

    PumpLinx作为专业的运动机械CFD仿真软件,具备众多的专业运动机械模板,可快速完成不同运动机械模型设置。模板将运动机械CFD模拟的流程和规范内置到PumpLinx软件中,使CFD模拟的设置简单化,同时保证了计算结果的可靠性。模板的主要特点和功能如下:


    • 覆盖绝大多数的运动机械,如螺杆泵/压缩机、离心泵等;
    • 可通过模板化的操作步骤快速生成各种容积泵(如外啮合齿轮/摆线内齿轮/滑片泵等)运动区域的高质量网格,大大降低前处理的技术难度;
    • 可指导用户设置不同类型运动机械仿真的动网格、物理模型和边界条件,使CFD仿真流程化、简单化、精确化;
    • 可针对不同运动机械仿真的关注点自动设置合理的后处理结果输出。


    PumpLinx可以求解比其它商用软件更多类型的运动机械,PumpLinx当前包含但不限于以下设计模板:

    PumpLinx类型众多的泵、阀模板

    PumpLinx独特的专有网格技术


    • 高度自适应的二叉树笛卡尔网格技术:PumpLinx包括一个自动化的笛卡尔网格生成器,它可以便利的生成CFD求解器可以高效求解的高质量网格。这个网格生成器采用专有的几何等角自适应二元树(geometry Conformal Adaptative Binary-tree)算法,既CAB算法,CAB算法在由封闭表面构成的体域生成迪卡尔网格。在靠近几何边界,CAB自动调整网格来适应几何曲面和几何边界线。为了适应关键性的几何特征,CAB通过不断的分裂网格来自动的调整网格大小,这是利用最小的网格分辨细节特征的最有效方法。


    PumpLinx通用笛卡尔网格技术

    PumpLinx的通用笛卡尔网格技术特点如下:

    自动、快速的网格生成:用户选择一组封闭表面,点击一个按钮,网格完全自动的生成。对于大多数工程问题,可以在几分钟之内完成网格划分。

    精确的表达原始几何:创建与曲面形状相匹配的网格,可以保证准确表达重要几何特征。CAB也可以自动的增加网格密度来更好的分辨几何特征,用户可以直接设置曲面的网格密度来直接控制网格质量。

    高质量/高效率的网格:CAB通常生成更适合于高精度算法的迪卡尔六面体网格。对于同样的精度水平,与四面体网格相比数量更少。

    能够容忍“烂”几何:许多CAD曲面并不是完全贴合。它们也许有小缝隙,或者是没有专门缝合在一起。如果几何包含这样的“烂”特征,许多网格生成算法会失败,因此在生成之前,几何必须清理干净。CAB算法在一定程度上可以容忍“烂”几何。对于多数情况,CAB基于“烂”几何可以生成合理的网格,而精度损失是可以忽略的,从而获得有意义的模拟结果。


    • PumpLinx运动机械模板网格技术:针对不同的运动机械模型,提供了一个模板化的网格生成器,通过一键式的操作专门生成运动机械转子部分的结构网格,如齿轮箱啮合齿轮的结构网格。
    • PumpLinx通用模板网格技术:PumpLinx内置通用的网格模板技术,可参数化生成棱柱体、六面体、圆柱体等的结构化网格,特别适用于某些特定结构的几何模型网格生成,例如密封、泄漏间隙的网格生成,在生成方式、操作步骤和网格精度上都更简洁、快速和优良。由此可见,PumpLinx网格生成方式多样,技术优良,针对不同的结构特征可采用不同的网格生成方法,从而有效地提高网格生成速度、降低网格数量、提高网格质量。


       

    PumpLinx运动机械网格模板技术     PumpLinx通用模板网格技术

    PumpLinx稳健而精确的多相流技术

    1)全空化模型

    PumpLinx拥有工业界独一无二的空化(汽蚀)模型,该模型基于A shok.Singhal 和Jiang Yu等人提出的全空化模型。全空化模型是基于两相流的模型思想,用Rayleigh-plesset方程求解气泡变化的动态过程,引入了混合密度的概念,并综合考虑了液体的可压缩性以及蒸汽的蒸发和凝结过程。对于非凝结气,PumpLinx也提供了不同的子模型供用户选择,如固定气体质量分数、可变气体质量分数等。

    PumpLinx空化模型的特别之处在于对特别困难的问题,在其它软件都失败的情况下,PumpLinx依然可以收敛。除此之外,该空化模型不但能准确地预测汽蚀对效率的影响,还可以准确地预测汽蚀损害可能发生的位置,当空化效应不可忽略时,这一能力对于许多问题都是很重要的。

    2)VOF模型

    PumpLinx_3.5版本已推出VOF两相流数值模型,并在许多案例中得到成功应用,其技术特点如下:严格遵守质量守恒及不可压缩项的体积守恒,可考虑任意项的可压/不可压特性,可采用隐式或显式时间格式,具有高分辨率的交互面捕捉方法,内置表面张力模型和壁面接触模型。目前PumpLinx VOF模型已成功应用于轴承润滑密封、齿轮箱油液润滑,油泵自吸,溢流堰流场仿真,溃坝以及搅拌器内流场仿真等验证等。结合PumpLinx的具体应用,PumpLinx VOF模型具有如下优势:


    • 可处理具有复杂结构的模型
    • 可考虑微米间隙问题
    • 具备多种类型的网格技术,可针对不同模型采用不同方法划分网格
    • 先进的移动/华东/变形网格之间的交互面技术(MGI)
    • 可应用于多种类型的运动机械和阀门
    • 可适用于大范围的动压改变
    • 与实验值具有良好的吻合性
    • 合理的计算时间,对于复杂问题亦是如此
    • 具有良好的收敛性和稳定性。


    PumpLinx高效的求解器

    PumpLinx求解器是在传统的CFD求解器基础上进行开发和改进,将其最新的数值技术与PumpLinx专有算法相结合,建立了一个比其它竞争对手更快速、更稳健的数值模拟工具。一般来说,在同等计算条件下,PumpLinx计算速度比同类软件快5倍左右。

    作为专业的运动机械CFD仿真工具,PumpLinx可用于分析以下工程流体问题:


    • 内流/外流
    • 层流/湍流
    • 多组分/多相流动;
    • VOF即自由液面流动;
    • 可压/不可压
    • 亚音速/超音速
    • 稳态/瞬态
    • 导热/对流传热
    • 浮力驱动流(重力效应)
    • 旋转/平动等多自由度运动问题


    PumpLinx支持多核并行计算,以显著提高其计算速度,PumpLinx结合强大的网格技术、快速的求解功能和并行求解能力,使得PumpLinx可以有效实现三维系统级的CFD仿真,如PumpLinx已完成曲轴箱通风系统仿真、润滑系统仿真(包含油泵、阀门、管道及其他部件)、冷却系统仿真等,实现了真正意义上的三维系统级仿真,并有效地为客户解决了实际问题。

    计算结果的可靠性

    PumpLinx可以精确模拟包括各类运动机械在内的空化及超空化流动问题。该空化模型已经被大量的工程题目所验证,如下图即为不同流体机械汽蚀损害区域模拟与试验的对比情况。

    PumpLinx汽蚀损害模拟区域与试验的对比