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螺桿壓縮機的幾何抽象的熱力學優(yōu)化 J Hauser and A Brummer著，曹立恒譯 [摘要]：不同的轉子型線的設計和發(fā)展與螺桿壓縮機的具體應用的發(fā)展具有密切聯系。幾何性能數據（以此為標準來描述螺桿式壓縮機性能與幾何參數相互依存的關系）縱斷面優(yōu)化來實現性能上的具體改進。在這個過程中，轉子型線和空間參數是主要的因素。和轉子型線的前端部分數據的比較，考慮到空間參數的數據為壓縮機效率的檢查提供了一個更好的間隙條件和運行評價。 [關鍵字]：螺桿壓縮機的性能，縱斷面優(yōu)化，設計新概念。 1導言 一種螺桿壓縮機的工作特性可以通過實驗，也可以通過綜合模擬程序[1,2]來研究。模擬的復雜性在于，需要運行實驗，需要實現和一個真正的壓縮機盡可能相似來產生有效的結果，但這個過程是非常耗時的。通過綜合模擬程序的計算機輔助是不受歡迎的，但是可以得到有效的結果。為找到精度與計算時間之間的平衡點，通過對抽象的幾何性能數據評價與分析是一個合理的方法。這種方法的主要特征是通過幾何碼表示螺桿壓縮機熱力學性能的行為來減少發(fā)展的時間。 在幾何性能發(fā)展的領域中，一直試圖評估前面部分的幾何形狀不同的間隙條件。即使是二維觀點，但這種方法已被證明是有用的，說明考慮到直接剖取的應用導向要求似乎是有效的。然而，這種方法沒有提供與三維轉子的幾何形狀的直接可比性，作為一個純粹的輪廓提取不可避免的忽略了幾何參數。這些運用對間隙條件有相當大得影響，從而對壓縮機的熱力過程有很大影響。 本研究的目的是要鏈接幾何參數和她們在性能方面的影響。這個相互關系將被集成為幾何性能編碼，然后可以用來減少螺桿壓縮機能量轉換效率。不管任何實際運行的情況，確定幾何優(yōu)化的總的趨勢將被用來進行壓縮機的評價。為了比較結構，保持恒定的明智做法是決定哪些機械和操作參數是必須的。要確定簡單的幾何數據是否可以代替廣泛的測量和模擬對不同壓縮機的能量轉換效率的首要評估，例如，在一種計算機輔助優(yōu)化框架過程中。 圖1 一種螺桿壓縮機的差距現狀 上圖：外殼和前間隙 下圖：廓嚙合間隙（左），吹孔（右） 2幾何參數的關系 對壓縮機的幾何參數的選擇，如轉子直徑，長度，轉子包角，和壓縮比，差距相互作用的影響和程度的能量轉換。套管的設置，前端和剖面量是負責壓縮機的內部泄露特性，并主要負責間隙流動損失（圖1）。如果間隙流動損失增大，效率損失也會增大。間隙的類型對螺桿壓縮機的能量轉換效率有不同的影響。相對于目前的壓力狀況，一般認為間隙關于質量流量的相對速率的優(yōu)先權，相應的間隙長度在[1,4]一下。 1、 嚙合間隙分布（陽和陰之間的轉子）。 2、 套管間隙（根據齒數）： （a）陽轉子；（b）陰轉子（較大的齒數比陽轉子）。 3、 氣孔。 4、前間隙： （a）高壓側；（b）低壓側。 上面的順序基本上指的是超壓地區(qū)的螺桿壓縮機。這種機型在機械壓縮中的應用，這一優(yōu)先次序是由Kauder和Janicki提出的[4]。目前，膨脹間隙的優(yōu)先事項在應用程序中的結果是不可用的。能源轉換的評估是以機械效率作為主要性能指標。更重要的是旋轉移位機的容積效率。 幾何評估的框架不包括對轉子的幾何形狀沒有直接影響的因素。容積效率水平代表間隙流量的影響。容積效率是受幾何參數影響的，如轉子齒數參數配對，轉子的長度，包角，長徑比，差距和高度的設置。 此外，剖面設計具有重要作用，因為它是影響主要間隙類型的一種配置文件形式?；趨⒖級嚎s機的配置文件的形式，對壓縮機的容積效率的影響是可變的。配置文件的任何變化都將直接影響間隙的配置和優(yōu)先順序，反過來又對壓縮機的泄露有直接影響。事實上，也應考慮到改變分布會直接影響到機械尺寸（即最大輸送量）。隨著長度的線性增長，交貨量變小，間隙的影響增大，而在三功率壓縮機的大小相關的交貨量增加。 3間隙：幾何性能的驗證 在空運行的選擇位移機器的發(fā)展框架中，幾何性能數據在進行不同的配置文件的比較評估中是有幫助的。用熱力或者機械流值可以做到。在檢查過程中忽略轉子長度和轉子包角，轉子與二維剖面性能數據（例如二維間隙長度與勺面的關系），到目前為止的物理特征。然而，空間間隙長度是不考慮的。將幾何壓縮參數（包角和轉子長度）轉移到產生的間隙現狀似乎是可取的?，F在的間隙優(yōu)先級取決于間隙的間隙高度的設置和輪廓本身。因此，對間隙條件的描述的各種方法應在計算機輔助形式優(yōu)化程序的框架中建立并驗證。 3.1幾何間隙的情況 三維間隙之間的相互關系的評價可以有效地反映在轉子圖（圖2）。轉子的位置是由領導室測定，其中的體積已經達到零。在低壓側前間隙的影響很小，這不會考慮到性能數據中。不同包角的比較表明，隨著角度的增加，數字和間隙的總長度將會增加。那里有一個相同的壓力比，更大的包角將導致一個更恒定的壓力梯度，這將導致更高的容積效率。這一評估僅適用于有恒定的理論流量的壓縮機。間隙條件可以采用于轉子，作為一個單一的差距變動（例如在長度或高度），改變其優(yōu)先級和容積效率的影響?；趨⒖級嚎s機（下標11壓縮機），簡單的組合值的各自的差距表面產生的性能關系近似值∏1，因為它是假定的容積效率將下降到間隙面積比例（方程（1））.通過增加間隙長度，間隙區(qū)域Agap抵達到每種情況下的間隙高度。不同的壓縮機的相似性提供了可參考的交付量達到（即取決于齒數）。 圖2 轉子嚙合圖指定的轉子位置顯示的差距分析 上圖：小包角，下圖：大包角。 CG，套管間隙；BH，氣孔；IMC，嚙合間隙；HP，高壓。 （1） 和 這個方法僅提供了一個粗略的估計的體積效率評估的概要特征與不同的變形角度。這是因為間隙區(qū)域不一定隨著包角的改變而改變，然而容積效率在一種近于不均衡的方式中會發(fā)生變化。 當包角增加時，間隙所受影響在慢慢減少；隨著間隙總數的增加，我們可以得出間隙在一種近于不均衡的方式中相對于空隙面積而言會發(fā)生改變的結論，所以這個方程式可以表示如下 (2) 因而，性能代碼∏2代表著一個溫和的間隙區(qū)域所有的空隙的壓縮機和交貨量理論之間的關系。這個數量的總差距是通過添加在一起為機器的總差距而達到的。在螺桿壓縮機中，總差距數大致對應于加權的差距。由于數量的個體差距類型在相同的速率中是不會變化的，所以進行個體差距類型評估是有必要的。 3.2間隙類型評估 前面以包角和分段線性函數發(fā)生器的長度為依據的計算不直接迎合氣隙面積。這意味著不同差距的實際意義是不被考慮的。通過內部和外部的加權因素各自領域差距的性能數據將會被增加。 （3） 通過研究一個間隙揭示內在加權因子的影響，隨著壓縮機參數的變化也會導致間隙數量的變化，這也體現在對間隙面積差距的調查中。這個因素涉及到特定區(qū)域的一個間隙和全部區(qū)域內的一個間隙。在恒定壓力下，差距高數值有一定的積極影響。外部加權因子的特定間隙類型來自機器間隙，以及評估通過間隙面積和計數。因此，這個因素代表著平均面積每個間隙的特定類型和平均面積的差距之間的關系。所以，這個性能代碼使所有重要的呈幾何圖案逐級增加的間隙以及變量值相結合，這些變量值根據不同的剖面形式和互相嚙合特性而變化。通過創(chuàng)建這些代碼，一個間隙類型的面積將被輸入二次形式，間隙的表面組建作為一個整體只在線性形式，在間隙類型的全部區(qū)域有一種極端缺乏比例，這導致了一個令人不滿意的差距優(yōu)先的表示法。 3.3單腔檢查的評估 主要負責壓縮過程的腔體，在容積效率上有著決定性的影響。隨著包角的增加，間隙的總面積會增加，但是，過程腔的面積會大大減少。所以，在對前面定義的轉子位置高壓腔（HP）的一次檢查能夠幫助提供更深層的缺口性能價值。 這些性能值的形成，被稱為∏1，OCM和∏3，OCM是與∏1和∏3用相同的方式進行的，在高壓腔的評估∏1，OCM只有表面的差距，不需要考慮轉子長度的變化以及適當地改良的包角比率。 （4） 間隙面積AGap，1來自于高壓腔內各個間隙的結合，但是卻并不允許間隙優(yōu)先級被確定。這種影響包括一個代碼∏3，OCM，通過高壓腔內的氣隙和氣隙的總面積之間的關系會產生一個加權因子（方程（5））。對與恒定包角而言，增加轉子的長度避免地導致一個更均勻的壓力分布在整個機器，因此就會有更多的腔在在高壓和低壓面之間。 （5） 加權因子αGap，i因而，加權因子表達著機器高壓間隙類型區(qū)域到全部間隙類型區(qū)域的關系。解決這個問題似乎是可取的，有相同的包角，齒對齒數不同是可以比較的。隨著齒數的增加，加權因子αGap，i會減少，這對應于在個別間隙類型優(yōu)先減少差距，和容積效率隨之提高。 所有這些性能指標基本上是適用于基于他們的間隙區(qū)域的值的機器的定性評價，而不是一個定量表示的容積效率和壓縮機的整體效率。它們將作為在不同的壓縮機設計的相對幾何評估的第一步（例如在計算機輔助優(yōu)化過程）。 4在優(yōu)化中的應用 實施上述定義的性能代碼后，有必要檢查它們的輔助輪廓生成的有效性。為了這個目的，一個優(yōu)化策略的螺桿轉子型線的使用進化的方法是采用[ 5 ]。轉子兩翼的表示是通過基于曲線（NURBS)的一個非均勻有理樣條方法（6）。該參照機器的幾何參數列于表1。進一步的優(yōu)化過程的一般要求是30個轉子和最多100000的優(yōu)化步驟的樣本大小。對齒轉子型線的曲線是由3個多項式表示，和12個控制點。 表1 該參照機器參數（下表11） 轉子長度 100mm 嚙合關系（陽-陰轉子） 3/5 包角（陽-陰轉子） 200°/120° 間隙高度設置 0.1mm 參數優(yōu)化 陽轉子型線，用12個控制點，多項式曲線：3，滾環(huán)固定，冠根界不固定 表1 該參照機器參數 配置文件生成的嚙合條件遵循一般齒輪傳動法。由于間隙類型對一般壓縮階段的一般過程的影響，忽略在低壓側前轉子間隙產生的性能數據?？紤]到這些只有在壓縮機的容積效率與其他間隙類型相比較時的邊際影響。為了檢查數據的有效性，優(yōu)化過程中故意開始于一個參考輪廓分歧很大的一個現代的標準曲線，見圖3。這反映在氣孔很大的相對面積。這項任務是為了確定最小化的性能數據是否用于修改配置文件生成的現代轉子型線，改變間隙區(qū)的關系，使其與正常的關系線在現代螺桿壓縮機。優(yōu)化的配置在圖3中可以看到。相關數據∏1到∏3，OCM是通過壓縮機的容積效率與間隙面積之間的評估和百分比變化得到的。與參照機相比，間隙特性設定在百分之100，個別之間的基本差異可以看出。 優(yōu)化結果表明，任何情況下剖面長度增加了百分之10，通氣孔的面積會大大減少。相比于參照機，極小的∏1減少氣孔面積的百分之65，第二代嗎的c.百分之70，最后代碼減少高達百分之90。很明顯，剖面量差距在吹孔面積減少上具有相對的特征，因為吹孔面積基本導致嚙合間隙擴大。這不一定意味著在這些間隙間有一個線性互聯關系，代碼∏2相對于∏3，OCM允許在剖面上有更大的改變，結果只在一個較小的比例間隙變化的氣孔。 操作碼，沒有顯著的減少氣孔面積，而是顯示殼體間隙的較大變化。這可以通過轉子頂圓直徑的增加來解釋。這將導致轉子的前面間隙面積減少。代碼∏3，OCM降低區(qū)域區(qū)的組成部分，尤其是對女性的轉子側，由于減少在女性冠圈和一個窄分布的陰轉子本身。適用代碼∏3，OCM氣孔面積最大減少只能通過配置一個狹窄的實現形式，指出女性轉子。 每個壓縮機中的間隙類型面積分布圖5所示。該參照機器的配置文件的形式有間隙型分布是不典型的干式螺桿壓縮機。本文選擇輪廓已經導致了一個非常大的氣孔面積，占孔隙面積百分之五十八。第二大面積的嚙合間隙占間隙面積的百分之三十六。陽和陰轉子殼體間隙各占總面積的百分之三。比較中在高壓側前面的間隙占很小比例，達不到百分之一。最低的運營價值從∏1到∏3，OCM會分布在每一種情況下不同的間隙區(qū)域。這種分布表現出個人的間隙加權內的代碼框架，依賴于幾何參數。所有操作碼的效果在氣孔面積減少的程度不同，再加上增加的廓嚙合區(qū)和間隙面積。通過前面的間隙的作用仍然是一個次要的。代碼的比較表明，編碼∏3，OCM達到各個地區(qū)最大的百分之七十七，百分之十二的氣孔面積，和百分之五的間隙面積。 圖3 該參考剖面和解決方案，利用業(yè)務數據的剖面圖3表示的優(yōu)化設置。 左邊：∏1，中間：∏2，右邊：∏3，OCM（黑色），參考資料（灰色）。 圖4 間隙面積與輸送量相關的百分比 與目前使用的干運行的標準轉子型線相比較表明，優(yōu)化過程中的推力包括間隙類型的百分比，應用不螺桿壓縮機領域走上了正軌，見圖五。特別是代碼∏3，OCM可以實現符合現代標準的區(qū)域分布的間隙類型。對間隙面積關系的不精確的實現可能的原因可以歸結為剖面的生成過程的局限性和遵守一般的傳動規(guī)律，現代標準分布不一定需要遵守傳動標準。 圖5 間隙類型比例區(qū) 4修改幾何參數 在發(fā)展框架的操作碼，需要對幾何變化的熱力學工作性能的影響進行評估。在縱斷面優(yōu)化好的結果來看，也要檢查改變包角和間隙高度的影響，采用代碼∏3，OCM，見圖六。本程序師對代碼∏3，OCM進行了優(yōu)化。參考點在200°包角。角可以從140°變化到220°。 圖6 操作碼∏3，OCM/（∏3，OCM）OPT的變化對陽轉子包角和間隙高度的影響（參考陽包角=200°）。OPT，最后基于操作代碼∏3，OCM型優(yōu)化配置結果：（a）所有間隙高度設置：0.1mm，（b）相互嚙合的間隙高度的變化：+0.1mm，（c）陽套管間隙高度的變化：+0.1mm，（d）陰套管間隙高度的變化：+0.1mm，和（e）前間隙高度的變化（高壓）：+0.1mm 可以觀察到當包角小時，性能數據關系小于一。數據大于一說明小包角保持腔的體積不見降低容積效率。因此，改變間隙面積比的唯一途徑是改變的包角。然而，可以觀察到性能下降值與較大包角之間的關系。隨著從大到小包角的減少梯度不斷陡峭，最大限度地減少性能的價值關系會導致容積效率的增強。隨著包角的增大，腔容積會逐漸變小，將導致一個較大規(guī)模的壓縮機。在代碼生成過程中，間隙分布比增加包角與整機尺寸的增加相比較，表明會降低容積效率的影響。 此外，隨著包角的變化，一個單一的間隙型間隙高度會改變0.1mm。在間隙類型增加的影響，特別市嚙合間隙，對螺桿壓縮機的容積效率已經得到充分的研究[4]。在文獻[4]中可以找到被轉移到所有的干運動螺桿增壓器與一個3-5齒的關系。這清楚的表明了嚙合間隙和腔的容積效率的主要影響因素。對于腔間隙而言，陽套管間隙對性能的影響大大超過陰套管間隙。這與陽轉子齒數少有關。在這些間隙比較中，高壓側前間隙對容積效率的影響不大。 這種行為是由操作碼∏3，OCM表示。常規(guī)包角和間隙改變0.1mm，改變嚙合間隙對操作碼的關系影響最大。接下來是套管間隙對陽轉子側，對陰轉子側，并且高壓側前間隙影響最小。 間隙包角區(qū)的操作碼變化的影響程度不同。與小包角比較，個體間隙的相對影響力上升，對嚙合間隙和陽轉子殼體的間隙的影響明顯上漲。這可以解釋為陽轉子的低齒數與陰轉子相比。隨著包角的增大，間隙高度對操作碼的影響減小，因此，低齒數對陽轉子的影響越來越小。然而，很定的間隙高度的變化對嚙合間隙的操作碼和容積效率關系的影響最大。 4總結和展望 描述了這項研究中的操作碼相對于螺桿壓縮機運行性能的對比評價，得出這種類型機器的幾何參數。操作碼與一個二維表示的相比，這里介紹的代碼考慮到轉子的長度和包角，實現了在評價中的最大的有效性。內部和外部的加權因子，連接和間隙優(yōu)先級比較直接和交互，可以擴展操作碼的有效性。如果這里介紹的代碼是與縱斷面優(yōu)化相關，高壓腔的相關價值會成為目標導向。總之，幾何性能規(guī)范的發(fā)展表明，可以比較不同的轉子設計和通過這種方式設計的轉子，并對其進行評價。這里所描述的幾何參數之間的相互關系提供了在開發(fā)過程的早期階段評估自己的比較效率的轉子型線的選擇。下一步將要檢查的代碼適用于其他各種幾何參數，如長度–直徑比，并處理不同的間隙高度。實驗測得的數據或全面的熱力學模擬計算（例如通過卡西姆[ 3，4 ]），可以作為比較的基礎。從純轉子幾何擴展到一半壓縮機的幾何形狀，從而決定能量轉換過程中的充電周期間隙的影響的幾何關系仍然是可取的。 參考文獻 [1]Rinder,L.Schraubenverdichter(Screw compressor),1979(Springer Verlag,New York). 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