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    1.必要性分析

    螺杆泵/压缩机/膨胀机/马达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,可以说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。

    2.螺杆机械数值分析的难点

    螺杆机械的CFD分析作为一项具有高科技含量的技术实施工作,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;(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)对于压缩机,需要同时考虑流场的动力学和热力学特性;(5)对于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。由于以上技术难点的存在,目前对于螺杆机械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。近期Simerics公司联合伦敦城市大学借助专业螺杆机械型线分析及前处理软件SCORG和专业运动机械CFD分析软件对双螺杆压缩机进行了详细的CFD性能分析,突破了螺杆机械CFD分析的各项瓶颈,取得了喜人的成绩。

    3.螺杆机械性能分析解决方案介绍

    本方案引进英国PDM Analysis公司的螺杆压缩机型线设计软件SCORPATH和前处理软件SCORG进行螺杆机械的设计和前处理工作,并联合功能强大的运动机械CFD工具PumpLinx形成了螺杆机械设计-分析-优化的一体化方案。

    英国PDM Analysis公司起源于英国伦敦城市大学, SCORG软件基于伦敦城市大学N.Stosic教授提出的螺杆压缩机设计及热力学预测理论,对于设计或引入的螺杆机械型线,可在SCORG中进行改型设计,并对几何型线进行分析,例如吸入面积、排出面积、泄露面积、体积等随旋转角度变化关系等。同时根据N.Stosic教授提出的热力学预测理论,可快速进行排量、效率、功率、温度等的性能预测,快速获得螺杆压缩机的性能曲线。除此之外SCORG开创了螺杆机械转子网格建模的先河,利用SCORG软件可生成螺杆机械转子区域完全结构化的三维O型网格,网格可直接输出至专业的螺杆机械CFD分析软件PumpLinx/CFX/Starccm+进行热动力流场数值分析,获得螺杆机械更为精确和详细的性能参数。


    图2.1  螺杆机械设计优化解决方案



    4.相关软件介绍

    4.1 专业螺杆机械前处理软件SCORG

    SCORG与SCORPATH同属英国PDM Analysis公司的产品,其研发历程与SCORPATH类似,SCORG专注于螺杆机械的型线分析、热力学特性预估及CFD网格生成,SCORG与SCORPATH具有无缝集成的接口。

    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:与SCORPATH功能类似,如: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。


    图4.1 吸入排出段面积随旋转角变化分析

    • 热力学特性计算功能:与SCORPATH功能类似,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。

    图4.2  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。


    图4.3  SCORG结构网格生成


    图4.4  SCORG与PumpLinx 联合仿真


    4.2 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软件介绍可参考官网的介绍内容,此处不展开描述。


    5.应用案例介绍

    5.1 SCORG螺杆压缩机快速热力学性能预测

    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5.1 螺杆压缩机型线输入


    图5.2  SCORG热力学预测参数输入


    图5.3  压缩机风量预测值与试验值对比


    图5.4  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/SCORPATH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/SCORPATH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。

    5.2 双螺杆压缩机流场分析

    在进行压缩机的性能分析时,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。此时联合SCORG与PumpLinx即可实现螺杆机械的三维非定常数值分析。如下图为某双螺杆压缩机的三维模型,提取后的流体域部分由吸入段、排出段和转子部分构成。

    图5.5 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5.6 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。如下图即为输出到PumpLinx的转子网格文件,其中进出口部分网格由PumpLinx软件完成。


    图5.7 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:


    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5.8 压力分布与温度分布(8000rpm)


    图5.9 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。

    其他螺杆压缩机的分析案例如下:


    图5.10 罗茨压缩机温度场分布


    图5.11 罗茨压缩机喷水冷却


    图5.12 喷水无油压缩机仿真与实验对比(效率、功率)



    图5.13 喷水无油压缩机喷水流动仿真


    图5.14喷油螺杆压缩机润滑油分布

    5.3 单双三螺杆泵性能分析

    螺杆泵的特点是流量平稳、压力脉动小、有自吸能力、噪声低、效率高、寿命长、工作可靠;而其突出的优点是输送介质时不形成涡流、对介质的粘性不敏感,可输送高粘度介质。如下为某2-3齿螺杆泵数值模拟分析的过程及结果图片。


    图5.15 2-3齿螺杆泵模型简介


    图5.16 2-3齿螺杆泵转子网格(约40万)


    图5.17螺杆泵压力云图



    图5.18螺杆泵空化预测


    图5.19 螺杆泵出口流量脉动的周期性变化

    螺杆泵按螺杆数目分为单螺杆泵、双、三和五螺杆泵,如下是其他类型的螺杆泵的分析案例。

    图5.20 变螺距2-2齿螺杆泵压力及流量预测


    图5.21某5-4-5齿3螺杆泵网格模型                 图5.22 某2-2-2齿3螺杆泵压力

    分布


    图5.23 某内嵌式单螺杆泵网格

    5.4 其他应用案例

    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、直齿斜齿泵、螺杆挤压机、螺杆膨胀机、螺杆马达等同样适用,网格文件均可以与PumpLinx联合进行数值分析。以下是部分案例图片:


    图5.24 1-1齿双螺杆泵转子网格



    图5.25 斜齿式风机泵网格模型



    图5.26  多转子螺杆泵网格模型



    图5.27 变螺距螺杆压缩机网格模型



    图5.28螺杆膨胀机压力分布



    图5.28 燃油齿轮泵仿真案例



    图5.29 空气螺杆马达案例


    6 SCORG典型用户

    Airplus、Atmos、Avtovaz、Bitzer、Carrier、CFX、Drum International、Eaton Compressors、Electratherm、Elgi、Gardner Denver、GHH (IRCO)、Goodrich、Howden、Komsan、Rotorcomp、Trane (IRCO)、Tutthill、Kettering University、Dortmund University、Xi’an Jiaotong University、Yangzhou University