双螺杆压缩机间隙泄露问题研究

饶 静

(陕西理工大学机械工程学院，陕西 汉中 723001)

双螺杆压缩机是将低压气体转换为高压气体的一种旋转机械，其依靠体积小、重量轻、结构简单等特点，广泛地应用于工业领域，其内部结构如图1所示。

①排气端盖 ②油封③轴承定位挡圈④阳转子⑤外壳⑥圆锥滚子轴承⑦锁紧螺母⑧后端盖⑨排气端后支座⑩阴转子圆柱滚子轴承图1 双螺杆压缩机结构图

为保证双螺杆压缩机的正常运行，其内部运动部件与静止部件以及运动部件与运动部件之间，均被强制留有间隙，间隙大体上可分为三类，分别是端面、齿顶以及齿间间隙，这三类间隙从而形成了对双螺杆压缩机性能影响巨大的内部泄漏系统[1-2]。这三大泄露间隙的存在势必降低双螺杆压缩机容积效率，加剧双螺杆压缩机内部流体运动的复杂多变性，而且对其压缩性能还会产生重大影响。因此，本研究以分析泄漏间隙对双螺杆压缩机内部流场的影响为研究内容，探究泄露间隙对双螺杆压缩机内部流场压力、速度、质量流量、功率的影响，为后续双螺杆压缩机设计制造过程中，布置合理的间隙预留量提供参考价值。

1 间隙泄露形成机理及影响

考虑到装配误差、加工误差、热胀冷缩等因素的存在，在安装时，需要在阴阳转子之间以及转子与气缸内壁之间强制留有一定的间隙，以保证双螺杆压缩机内部旋转部件与静止部件之间和谐运行。若设计、装配间隙过大，运转过程中的泄漏量就会偏大，导致双螺杆压缩机的吸气性能下降，工作效率降低。相反，若设计装配间隙过小，不能在齿面之间形成一定厚度的油膜,引起转子齿工作面的润滑和冷却变坏,导致工作中产生噪音和发热现象，因此泄露间隙既是强制性预留的，又是设计者想要抑制的矛盾体。双螺杆压缩机泄露路径如图2所示。

图2 双螺杆压缩机泄露路径

2 双螺杆压缩机动力学数值仿真

2.1 双螺杆压缩机流体域模型的建立

双螺杆压缩机流体域模型建立的标准需要根据转子型线尺寸确定[3]。进气口流体域模型主要由阳转子齿间容积后方齿的前段型线、低压侧啮合线形状、阴转子齿间容积后方齿的前段型线、阴阳转子的齿根圆所确定。排气口流体域模型主要由转子齿间容积前方齿的背段型线、高压侧啮合线形状、型线的齿根直径组成。双螺杆压缩机进、排气口流体域模型如图3所示。

(a)进气口流体域模型 (b)排气口流体域模型图3 双螺杆压缩机进、排气口流体域模型

鉴于双螺杆压缩机阴阳转子是一种具有复杂螺旋曲面几何结构，内部流体在实际工作过程中呈现出一种非定常、强旋流、可压缩旋转流动[4-5]。本研究采用专业螺杆机械型线分析软件Scorg，根据双螺杆机械的型线文件自动生成高精度的转子工作腔流体域模型，完美的解决了转子工作腔结构建模问题，工作腔流体域模型如图4所示。经过建立相关的动静交互面，得到双螺杆压缩机整体模型如图5所示。

图4 工作腔流体域模型 图5双螺杆压缩机整体模型

2.2 流体网格划分模型

由于双螺杆压缩机阴阳转子是一种具有复杂螺旋曲面几何结构，此种结构势必会增加动静交界面网格生成难度和网格畸变率，从而导致网格质量下降，无法进行后续仿真计算[6-7]。因此，采用Pumplinx软件自带的基于二叉树算法的直角笛卡尔六面体网格划分技术，能较快的完成动静网格生成速度和提高网格划分质量，双螺杆压缩机整机网格划分结果如图6所示，网格划分质量如表1所示。

图6 双螺杆压缩机整机网格划分结果

表1 双螺杆压缩机网格划分质量

2.3 建立泄露模型监测点

为了深入揭示双螺杆压缩机各个性能参数的变化规律，捕捉转子每个齿槽内微观变化特征，本研究通过创建7 种不同尺寸间隙的双螺杆压缩机流体结构模型，采用建立追踪点的方法对压缩机进气口处、工作腔体内、排气口处建立监测点，各类间隙的模拟参数如表2所示，监测点布置如图7所示。

表2 三大间隙模拟参数值

图7 监测点位置布置

2.4 求解计算与结果分析

通过pumplinx软件对螺杆压缩机流场进行求解计算，得到如下结果。

图8为三大泄露间隙下压力变化对比曲线图，通过分析可知齿顶间隙对双螺杆压缩机流场压力的影响最大，其次为端面间隙和齿间间隙。在图8(a)监测点1处出现流体压力随间隙的增大而增大，主要是由于监测点1位于进气口处，间隙越大，在压差作用下回流进入齿间容积内的气体越多，图8(b)、(c)、(d)为阴阳转子周期性旋转的压缩阶段，气体压力随齿间啮合间隙的增大而呈减小趋势。主要是由于压缩阶段齿间容积不断减小，泄露间隙越小，高压气体在压缩区域压缩速度越快，使得监测点2、3、4区域压力增大，上升梯度较大。

(a)监测点1处压力随间隙值变化图

(b)监测点2处压力随间隙值变化图

(c)监测点3处压力随间隙值变化图

(d)监测点4处压力随间隙值变化图

(e)监测点5处压力随间隙值变化图图8 三大泄露间隙下压力变化对比曲线图

图9为三大泄露间隙下速度变化曲线图，从图分析可知，速度变化规律并不明显，监测点1处和监测点2处的速度变化规律与压力变化情况具有一致性，即齿顶间隙速度变化最大，而在图9(c)、(d)、(e)中齿间间隙变化最为明显，由此表明双螺杆压缩机内部流场速度变化规律十分复杂，存在高流速、强旋流、流体流动紊乱的运动现象。

(a)监测点1处速度随间隙值变化曲线

(b)监测点2处速度随间隙值变化曲线

(c)监测点3处速度随间隙值变化曲线

(d)监测点4处速度随间隙值变化曲线

(e)监测点5处速度随间隙值变化曲线图9 三大泄露间隙下速度变化曲线图

图10为三大泄露间隙下进口质量流量变化曲线图，由图可知齿顶间隙泄露对质量流量影响最大，其次为齿间间隙和端面间隙,同时发现进口质量流量随泄露间隙值的增大而增大。

图10 三大泄露间隙下流量变化曲线

图11为三大泄露间隙下功率变化曲线，由图可知，齿顶间隙泄露对功率影响最大，其次为端面间隙和齿间间隙，并且功率随泄露间隙值的增大而减小。

图11 三大泄露间隙下功率变化曲线

为了充分论证研究结果的可靠性，引入了压力脉动不均匀度的概念[8]，通过计算压力脉动率的方式，对三大泄露间隙下双螺杆压缩机压力、速度脉动情况进行定量化描述，计算结果如图12和图13所示。

(a)0.06 mm间隙下压力脉动不均匀度曲线

(b)0.2 mm间隙下压力脉动不均匀度曲线

(c)0.4 mm间隙下压力脉动不均匀度曲线图12 三大泄露间隙下压力脉动不均匀度图

图12为三大泄露间隙下压力脉动不均匀度图，从总体变化趋势上看，齿顶间隙波动率较大，其次为齿间间隙和端面间隙。三种泄露波动率均显示为进口处压力脉动率较低、然后逐渐上升、到达峰值、下降的趋势，这种变化趋势符合双螺杆压缩机吸气、压缩、排气的工作原理，表明本次研究方法的正确性。

(a)0.06 mm间隙下速度脉动不均匀度曲线

(b)0.2 mm间隙下速度脉动不均匀度曲线

(c)0.4 mm间隙下速度脉动不均匀度曲线图13 三大泄露间隙下速度脉动不均匀度图

图13为三大泄露间隙下速度脉动不均匀度图，分析可知速度波动变化规律与压力波动变化具有一致性，即齿顶间隙波动率较大，其次为齿间间隙和端面间隙。同时，速度波动值均在压缩区域处较大，在出口处逐渐减小。

3 结论

(1)利用Pumplinx 软件分别对三种间隙泄露类型进行计算研究，获得了监测点1-5处的压力、速度、质量流量、功率变化规律，分析发现齿顶间隙对双螺杆压缩机内部压力、速度、质量流量、功率变化影响最为明显，其次为端面间隙和齿间间隙。

(2)引入了压力脉动不均匀度的标准作为评价手段，对压力与速度脉动变化规律进行计算，齿顶间隙波动率较大，其次为齿间间隙和端面间隙。同时，发现速度变化和压力脉动不均匀度变化趋势具有一致性。

综上所述，本研究所采用的研究方法和研究手段对设计制造过程中间隙预留量范围的确定具有一定的参考价值，且有一定的实际工程指导意义。