基于Ansys双螺杆膨胀机动态特性有限元仿真

(山东省地质矿产勘查开发局第三地质大队，山东 烟台 264000)

0 引言

螺杆膨胀机是依靠气体体积膨胀，驱动螺杆转子旋转，将热能转换为机械能的一种热机，是现代长足发展的一种新兴动力机械，广泛应用于煤矿及工业余热回收、地热发电、生物质发电等领域。双螺杆作为双螺杆螺杆膨胀机中的重要传动系统，其性能的好坏直接决定设备性能的优劣，因此对螺杆螺杆膨胀机中的双螺杆动态特性进行研究和分析显得尤为必要。

为了获得性能优良的螺杆传动设备，同时了解螺杆相关产品和设备在工业、航天、汽车及煤矿等产业中的相关应用，国内外众多学者对螺杆在煤矿机械中的应用及其它行业中的应用进行相关研究。其中，王兆强等[1]以某型高速高压三螺杆泵为研究对象，对其流场特性进行数值仿真分析；黄力伟等[2]对煤矿在用螺杆式空压机安全检测检验的几个问题进行相关研究；徐保龙等[3]以煤矿用带扶正器螺杆钻具为研究对象，运用试验的方法对其造斜规律进行研究；陈虹微等[4]以煤矿螺杆空压机为研究对象，对其振动进行分析，并对其振动和噪声进行相关改进；盖立武等[5]对大导程螺杆数控车削加工的相关技术进行研究；刘兆红等[6]对硬铝空心锥形凸缘螺丝成形工艺及其相关模具进行研究和分析；宋志军等[7]以SJ58D挤出机为研究对象，对其变速系统花键齿轮轴套零件的结构进行设计，同时对其相关工艺进行研究；石兆东等[8]基于CFD对非啮合并列型双螺杆挤出机的三维流场进行数值模拟，研究了其内部流体场分布及特性。上述众多学者对螺杆设备在煤矿及螺杆在煤矿机械中的应用，挤压成型和相关设备进行了较为深入的研究和分析，取得了一定的研究成果，为煤矿机械设备性能改善和提高、螺杆在煤矿机械设备中的应用等方面提供重要的借鉴。但是对双螺杆膨胀机的研究相对较少，基于此，本研究以双螺杆膨胀机为研究对象，运用有限元仿真软件Ansys对其双螺杆传动部分动态特性进行有限元仿真分析，为双螺杆膨胀机综合性能的提升等方面提供理论依据。

1 双螺杆膨胀机驱动煤矿瓦斯发电系统

煤矿瓦斯作为煤矿中的有害气体，但其加以好好利用又是清洁能源气体，因此对其的研究得到国内外众多学者的青睐。本研究为双螺杆膨胀机驱动煤矿瓦斯发电系统。

双螺杆膨胀机驱动煤矿瓦斯发电系统主要由煤矿瓦斯、燃烧蒸汽机、双螺杆膨胀机、异步发电机、电能适配器、电网等组成。煤矿瓦斯在燃烧蒸汽机中燃烧产生蒸汽，蒸汽推动双螺杆膨胀机作用，膨胀机带动异步发电机运动进行发电，发出的电能在电能适配器的作用下并入电网，实现整个发电过程。双螺杆膨胀机将众多废弃能量机气体进行回收而产生新型清洁能源电能，因此其未来在各行各业中的应用前景非常好，双螺杆作为双螺杆膨胀机的最主要系统，其性能的好坏直接决定设备的优劣，因此对其动态特性进行研究显得尤为必要。

2 双螺杆膨胀机有限元建模

膨胀机在各行各业中应用广泛，本文以煤矿瓦斯发电系统中的双螺杆膨胀机为研究对象，运用三维建模软件solidworks建立双螺杆膨胀机三维模型如图1所示。

1.进气口 2.双螺杆 3.出气口

由图1可知，本研究的双螺杆膨胀机主要由进料斗、双螺杆及出料口等组成，煤矿瓦斯燃烧后产生的高压蒸汽通过进气口进入驱动双螺杆，运用双螺杆带动传动轴运动，实现热能与机械能之间的转换，高压蒸汽降压降温后通过出气口排出。

根据上文建立的三维模型导入有限元分析软件Ansys，建立双螺杆膨胀机有限元仿真模型，双螺杆膨胀机有限元仿真模型中有234 568个节点，1 845 743个单元。本研究双螺杆膨胀机，转速达5 000 rpm，膨胀机的体积比为2.5，轴长为50 mm，阳转子每周位移容积为285 cm3。螺杆材料为40 Cr，密度为7 900 kg/m3、弹性模量为208 GPa、泊松比为0.3、抗拉强度≥980 MPa、屈服强度≥785 MPa。设置仿真参数为转速5 000 rpm，螺旋角分别为40°、80°、120°，蒸汽进气、出气压力分别为4 bar、1 bar，蒸汽进气、出气温度分别为100 ℃、48 ℃的仿真条件。根据上文建立的有限元仿真模型，加载上文设置的参数及仿真条件，仿真计算结果如下文所示。

3 有限元仿真结果与分析

煤矿瓦斯在燃烧蒸汽机中燃烧产生的高温高压蒸汽对双螺杆膨胀机进行作用，膨胀机在高压高温蒸汽作用下，产生巨大的推力，推动膨胀机内部的双螺杆旋转运动，从而实现高压高温蒸汽的热能转换为机械能。根据上文建立的双螺杆膨胀机有限元仿真模型，加载上文设置的工艺参数条件，仿真计算得到膨胀机双螺杆在实际工况下的总变形如图2所示。

由图2可知，双螺杆膨胀机中的双螺杆在实际工况下，双螺杆最大变形为0.026 4 mm，总变形较小，最大值主要分布在双螺杆尖角处；从螺杆螺旋进口至后端螺杆部分逐渐减小，且双螺杆接触部位的变形较大。

图2 膨胀机双螺杆在实际工况下的总变形

为了了解不同螺旋角对双螺杆膨胀机中双螺杆绝对压力的影响。仿真计算得到不同螺旋角下双螺杆绝对压力分布如图3所示。

图3 不同螺旋角下双螺杆绝对压力分布

由图3可知，在双螺杆膨胀机实际工作过程中，随着双螺杆螺旋角增加，膨胀机中双螺杆绝对压力值大小基本不变，但其分布位置及区域不同；螺旋角在80°时分布区域最小。产生上述现象的原因为膨胀机双螺杆螺旋角不同，叶片分布及角度不同，在同样蒸汽压力和温度作用下，螺杆受力大小和位置也不同。

为了了解高压高温气体在双螺杆膨胀机内部流动情况，仿真计算得到螺旋角80°时蒸汽流体场分布，煤矿瓦斯在燃烧蒸汽机中燃烧产生的高温高压蒸汽通过双螺杆膨胀机进气口进入，对膨胀机内部的双螺杆作用，从出气口出来整体流动，流动气体推动膨胀机内部的双螺杆作用，实现能量的转换；蒸汽流速在双螺杆内部形成螺旋气流场，最大流动速度为50m/s，主要分布在螺杆四周。

综上双螺杆膨胀机动态特性有限元仿真分析可知，煤矿瓦斯在燃烧蒸汽机中燃烧产生的高温高压蒸汽通过双螺杆膨胀机进气口进入，从出气口出来整体流动；膨胀机在高压高温蒸汽作用下，产生巨大的推力，推动膨胀机内部的双螺杆旋转运动，实现高压高温蒸汽热能转换为机械能；随着双螺杆螺旋角增加，膨胀机中双螺杆绝对压力值大小基本不变，但其分布位置及区域不同；螺旋角在80°时分布区域最小；蒸汽流速在双螺杆内部形成螺旋气流场，最大流动速度为50m/s，其主要分布在螺杆四周。

4 结语

双螺杆膨胀机可以将各行各业的工艺废弃、过剩的能力聚集转换为人类可用的清洁能源，其在各行各业中得到了广泛的应用。运用有限元仿真分析软件Ansys建立膨胀机双螺杆动态特性有限元仿真模型，分析了其在实际工况下的变形、不同螺旋角下的绝对压力及流体场分布，为膨胀机结构改进及性能提升等方面的研究和分析提供重要的借鉴。