螺杆压缩机设计计算软件的研究与开发

第33卷　第11期　1999年11月
西　安　交　通　大　学　学　报
JOURNAL OF XI′AN J IAO TON G UN IV ERSITY
　Vol.33　№11
Nov.1999
螺杆压缩机设计计算软件的研究与开发
邢子文,彭学院,束鹏程
(西安交通大学,710049,西安)
摘要:介绍了所开发的以Windows为操作平台的螺杆压缩机设计计算软件SCCAD,总结了SC2 CAD软件中转子型线、几何特性、热力性能、转子受力、转子变形以及刀具刃形等设计内容的计算方法和计算机程序,给出了利用Visual Basic语言设计的用户界面和后处理程序.SCCAD软件克服了传统设计方法设计周期长、计算准确度差的缺点,设计人员可通过该软件,采用建立在工作过程数学模拟基础上的螺杆压缩机设计新方法.利用SCCAD软件设计的螺杆压缩机的研制成功,证明了该软件的可靠性.
关键词:螺杆压缩机;设计;软件
中国图书资料分类法分类号:TH457
Soft w are Package for Design of Twin Scre w Compressors
Xi ng Ziwen,Peng X ueyuan,S hu Pengcheng
(Xi′an Jiaotong University,Xi′an710049,China)
Abstract:A software package is developed for the design of twin screw compressors.It could be used to determine the rotor profile,geometrical parameter,thermodynamic performance,force on the ro2 tor,rotor deflection and cutter shape.The interface and post2processing program are developed from Visual Basic.Simulation of the compressor performance can be made by the package to enhance de2 sign.
K eyw ords:screw com pressor;design;sof t w are package
螺杆压缩机具有一系列独特的优点,被广泛应用于空气动力、制冷等行业及各种工艺流程中,特别是由于其极高的可靠性,受到了用户的普遍欢迎.目前,螺杆压缩机的销售量已占所有容积式压缩机销售量的80%以上.然而,有关这种压缩机的设计方法多种多样,导致计算结果各有不同,阻碍了螺杆压缩机性能的进一步提高和应用范围的扩大.
传统的螺杆压缩机设计方法是,依靠一些在做了许多假设之后得到的近似公式进行设计和计算[1],这样不仅设计周期长,而且准确度差,一些设计参数还要待样机造出后,再通过试验才能确定.这种设计方法严重影响了新产品的供货时间和性能水平,削弱了其市场竞争力.
80年代以来,随着计算机在螺杆压缩机设计中的应用,通过工作过程数学模拟的方法,可比较准确地解析出螺杆压缩机的各项性能,利用一些基于工
收稿日期:1999Ο04Ο08.　作者简介:邢子文,男,1962年9月生,能源与动力工程学院流体机械系,博士,副教授.基金项目:国家教委留学回国人员科研基金资助项目(教外司留[1997]436号).
作过程数学模拟的数值计算程序,可以快速、准确地完成螺杆压缩机的各项设计工作[2].另外,还有可能通过“数值试验”的方法,针对具体的使用场合,对螺杆压缩机进行优化设计[3].但是,这种基于工作过程数学模拟的螺杆压缩机设计新方法,目前仅有少数人员能够掌握.为了使广大螺杆压缩机的设计人员能够方便地使用这种先进的设计方法,解决实际工作中遇到的各种问题,有必要把这些数值计算程序进一步开发为规范的商品化软件,即采用图形化用户界面(GU I)技术,使这些数值计算程序具有可视化效果[4].
本文总结了所开发的以Windows为操作平台的螺杆压缩机设计计算软件SCCAD,首先给出了有关SCCAD软件中转子型线、几何特性、热力性能、转子受力、转子变形以及刀具刃形等设计内容的计算方法和计算机程序,然后介绍了利用Visual Basic 语言设计的SCCAD用户界面和功能强大的后处理程序.利用SCCAD软件设计的螺杆压缩机的研制成功,证明了该软件的可靠性.SCCAD软件通过了国家教育部组织的鉴定,已被作为商品化软件,转让给海内外的数家生产厂商,取得了良好的经济效益和社会影响.
1　计算方法与程序
1.1　转子型线
螺杆压缩机的转子型线首先应满足一般啮合运动的要求,即相应齿间曲线必须满足齿廓啮合的基本定律;其次,为了经济有效地压缩气体工质,转子型线还必须具有良好的轴向和横向气密性、较大的面积利用系数和吸排气孔口面积;另外,还要求齿形具有流线型,以减少气体流动损失,同时要便于加工.鉴于要满足如上种种要求,螺杆压缩机的转子型线通常是由多段曲线首尾相接组成,其中主要有直线、摆线、圆弧、椭圆及抛物线等.
转子型线的求取方法如下:先根据对型线的一般要求和对实际使用场合的特殊要求,给定某转子型线上的一些组成齿曲线,并列出其方程;然后根据啮合原理和包络条件,求出另一转子上与这些组成齿曲线相啮合的共轭型线方程[5];用根据转子型线方程编译的转子型线计算程序,计算出转子型线上各点的坐标及表明该点啮合位置的阳转子转角,同时计算出型线在各点的斜率,以供其他程序使用.
SCCAD中的转子型线计算程序提供了6类各具特色的转子型线供用户选择,用户可按具体要求,选择型线的种类和型线参数(如齿数组合、齿高半径、齿顶高等).当然,利用SCCAD还能设计和开发其他的专用型线,如无油螺杆压缩机专用型线、制冷螺杆压缩机专用型线、微小型螺杆空气压缩机专用型线等等.图1所示为一种利用SCCAD开发出的性能优越的制冷螺杆压缩机转子型线
.
图1　一种制冷螺杆压缩机转子型线
1.2　几何特性
合理地配置吸气孔口和排气孔口,是螺杆压缩机设计计算中的一个重要方面.只有通过几何特性计算程序,才可以精确地得到不同转角下阴、阳转子齿间面积的侵占数值,并进而得到基元容积值随转子转角的变化情况.在此基础上,才可合理地设计吸气孔口和排气孔口.
SCCAD中的几何特性计算程序为:先读入前述转子型线计算程序的输出结果,再考虑转子结构参数(如长径比、扭转角)和孔口参数,然后按照数值积分的方法进一步计算出诸如接触线长度、泄漏三角形面积、面积利用系数、吸排气孔口面积及基元容积的变化规律等几何特性.图2为对图1所示型线转子的接触线和泄漏三角形的计算结果.
1.3　工作过程的计算机模拟和热力性能
螺杆压缩机工作过程的计算机模拟和热力性能预测,是在前述几何特性计算的基础上,以基元容积为研究对象,对其间的吸气、压缩和排气过程进行详细分析,有效地考虑泄漏、喷油及换热等因素对工作过程的影响,并在此基础上建立描述这些过程的一组偏微分方程,然后利用四阶龙格Ο库塔数值解法联立求解上述方程,求出各过程中基元容积内气体的压力、温度等微观性能参数,并进而以这些数据为基础,求出压缩机的排气量、轴功率等宏观热力性能参数[6].图3示出了一种制冷螺杆压缩机在相同的蒸发温度和不同的冷凝温度下的工作过程计算结果.
23西　安　交　通　大　学　学　报 第33卷
图2　
接触线和泄漏三角形
图3　一种制冷螺杆压缩机的工作过程
SCCAD 中的工作过程计算机模拟和热力性能
预测程序,既适用于以R22、R12、R134a 、氨等为介
质的制冷压缩机,又适用于以空气、天然气等为介质的气体压缩机.1.4　转子受力
准确计算转子受力,对选择合适的阴、阳转子轴承和设计制冷螺杆压缩机中常见的平衡活塞具有重
要意义.通过合理选择,能够使各轴承具有相近的寿命,从而提高整台压缩机的可靠性.
SCCAD 的转子受力分析程序为:在工作过程模
拟的基础上,通过详细划分受力面积和精确确定作用在这些微元面积上的压力,叠加得到转子的受力和支撑转子的轴承的负荷.对于无同步齿轮的喷油机器,还考虑了转子在传递力矩过程中产生的作用力.1.5　转子变形
SCCAD 中的转子变形计算程序为:在工作过程
模拟和转子受力分析的基础上,利用有限元方法,计算阴、阳转子的受力变形和受热膨胀.计算结果对刀具刃形的修正具有重要的意义.1.6　刀具刃形
在螺杆压缩机设计中,不仅要研究理论型线,还要对实际型线进行研究,并在此基础上设计加工转子的刀具刃形.SCCAD 中的刀具刃形计算程序为:
利用端面型线的坐标点和转子结构参数,计算盘形
铣刀或成型砂轮的刃形数据.该计算程序适用于任何类型的转子型线,能合理地分配阴、阳转子间的间隙,并独到地处理刀具刃形计算中常常出现的干涉和断点问题,得到光滑过渡的刀具刃形.另外,在这部分程序中,不仅能计算前角为0°的铣刀刃形,还能计算前角不为0°或带有一定螺旋倾角的铣刀刃形,从而能设计出加工性能更优越的刀具.
2　软件构造
为了使软件易学易用,需采用图形化用户界面(GU I )技术,将有关的数值计算程序进一步开发和包装,使其具有可视化的效果.为此,SCCAD 运用Visual Basic 程序设计语言,开发了基于Windows 的用户界面,并编译了功能强大的后处理程序,用于对计算结果进行数据输出及图形显示.用户只要按照
界面提示,输入有关的结构参数和运行条件,即可轻
松、方便地得到所需结果,并输出格式整齐的数据文件和形象直观的曲线图形.
SCCAD 的用户界面分为主界面、子界面和对话窗口.主界面包括设计计算、结果显示和帮助3大类内容,各组成部分均运用面向对象的程序设计思想,具有完成某一项功能的各自窗口,从而构成一个多文档界面(MDI )程序.为便于同时向国内外推广,SCCAD 有中、英文两种版本.
在设计计算方面,SCCAD 在主界面中直接给出了转子型线、几何特性、热力性能、转子受力、转子变形以及刀具刃形等6项设计计算的选项,利用SHELL 语句调用原来用FOR TRAN 语言编译的各相应计算程序,完成有关计算.用户选择某一选项后,会弹出相应的对话窗口,以供用户输入或修改有关的结构参数和运行条件.图4给出了SCCAD 的主界面及转子型线计算程序的输入数据对话窗口.
SCCAD 的结果显示分为报告数据文件和显示曲线图形.数据文件报告窗口使用Rich TextBox 控件实现输入数据和计算结果的显示、复制、另存及打印.Rich TextBox 控件允许输入和编辑文本,可实现改变字体、颜色、设置段落方式等操作,用户可按自己的要求,实现对有关数据文件的及时保存.SC 2CAD 的曲线图形显示程序利用PictureBox 控件实现有关曲线图形的显示、复制及打印.PictureBox 控件可以显示来自位图、图标、元文件等的图形,可实现对图形进行文本编辑、曲线线形改变、颜色改变及
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3第11期 邢子文,等:螺杆压缩机设计计算软件的研究与开发
图4　SCCAD的主界面及转子型线计算
程序的输入数据对话窗口
图形局部放大.
SCCAD的帮助部分包含有该软件的用户手册,以便用户随时查阅.另外,为了形象直观地显示螺杆压缩机的工作过程,SCCAD还用3Dmax软件实现了螺杆压缩机吸气、压缩及排气过程的动画模拟.
3　实验验证
利用SCCAD软件,为中外合资柳州环宇压缩机有限公司设计了移动式喷油螺杆空压机系列.该系列压缩机的转子型线、吸排气孔口、刀具刃形、轴承选型等设计工作均借助SCCAD软件进行计算,其中的L GY-17/7型机器已研制成功.经有关部门认定的专业技术检测机构测试,L GY-17/7型机器的性能指标达到了国家标准规定的优等品水平,其性能计算值和实测值如表1所示.从表1中可以看出,排气量的计算误差小于3%,轴功率误差小于5%,表明了SCCAD软件的可靠性.
SCCAD软件已作为商品化软件,转让给台湾复盛股份有限公司、武汉新世界制冷工业有限公司和无锡压缩机股份有限公司等数家海内外的螺杆压缩机生产厂商,取得了良好的经济效益和社会影响. SCCAD软件在国际上也有一定的影响,美国Carrier 公司已和本课题组签订了利用SCCAD软件对螺杆压缩机的喷油参数进行研究的合作协议.
1998年12月,SCCAD软件通过了由国家教育部组织的技术鉴定.鉴定委员会认为:该软件内容全面,涵盖的转子型线种类丰富、计算准确、使用方便、版权自主,实现了优化设计的要求,填补了国内空白,并具有同类软件的国际先进水平.
表1　L GY-17/7型压缩机的理论计算值和
实测值的比较
排气压力
/MPa
排气量/m3・min-1
计算值实测值
轴功率/kW
计算值实测值
0.617.46717.08792.6495.41
0.717.33816.978100.69104.57
0.817.07416.642109.95112.60
0.916.99416.837116.68118.87
1.016.77816.532124.24126.42
1.116.60116.289131.8013
2.30
4　结　论
SCCAD是一种建立在工作过程数学模拟基础上的螺杆压缩机设计新方法,它可以快速、准确地完成螺杆压缩机的各项设计工作,能克服基于近似公式的传统设计方法设计周期长、计算准确度差的缺点.该软件以Windows为操作平台,利用图形化用户界面技术对有关的数值计算程序进行进一步开发,可使广大设计人员轻松方便地使用上述螺杆压缩机设计的新方法,解决实际工作中遇到的各种问题.SCCAD软件已在实际设计中得到应用,并已为实际机器所验证.
参考文献:
[1]　邓定国,束鹏程.回转压缩机.北京:机械工业出版社,
1989.38～105.
[2]　Fujiwara M,K asuya K,Osada Y.A new design method
for oil2injected screw compressors and its application.Hi2 tachi Review,1987,36(3):127～134.
[3]　邢子文,邓定国,束鹏程.轻便喷油双螺杆空气压缩机
的研制.流体工程,1992,20(3):1～3.
[4]　Hanjalic K,Stosic N.Development and optimisation of
screw machines with a simulation model,partⅡ:ther2 modynamic performance simulation and design optimisa2 tion.ASME Transactions,Journal of Fluids Engineer2 ing,1997,119(3):664～670.
[5]　邢子文,邓定国,束鹏程.双螺杆压缩机转子CAD系统
的研究与开发.流体工程,1991,19(10):21～25. [6]　邢子文,邓定国,束鹏程.双螺杆压缩机工作过程的计
算机模拟研究.流体工程,1991,19(12):11～16.
(编辑　蒋慧姝)
43西　安　交　通　大　学　学　报 第33卷。