CN115329480A - 一种用于小分子量气体压缩的螺杆转子型线设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及能源动力技术领域，具体涉及一种用于小分子量气体压缩的螺杆转子型线设计方法，旨在提高压缩效率，包括：构建小分子量气体螺杆式压缩机性能预测模型，模拟热力学和动力学过程；通过压缩机性能预测模型指导螺杆转子型线设计，对转子内部各特征参数进行权重分析：通过热力学分析，型线设计结合喷油雾化设计，在转子热弹变形的基础上，基于冷、热态机械间隙的比较施行补偿法设计，提高运转的可靠性。本发明以整体优化法解决复杂多变量系统的耦合关联问题，以压缩机性能预测模型指导型线设计，对转子型线各特征参数进行权重分析。型线的啮合间隙相对传统型线大大减小，以提高气体工质压缩的容积效率。
Description
技术领域
本发明涉及能源动力技术领域，具体而言，涉及一种用于小分子量气体压缩的螺杆转子型线设计方法。
背景技术
大型氦低温技术在前沿基础科学研究、特殊领域、航天、能源、材料、医学等领域具有广泛的应用。小分子量的氢气和氦气是最难液化的两种气体，是低温工程最主要的工质。而低温制冷效应的实现，需要稳定高效的压缩机，自1979年以来，主要使用的是喷油式氦气螺杆压缩机。螺杆压缩机核心技术在于转子型线，决定了压缩机的效率、动力学性能和可加工。如果直接利用空压机和制冷压缩机型线来压缩氦气时，容积效率降低10％-30％，高效率的氦气压缩，必须进行型线适用性设计。但由于型线设计设计复杂的数学、传热及流体力学等交叉学科，影响因素众多，国际上多是在空压机基础上做调整，没有公开的资料报道，其中以德国凯撒的西格玛型线和瑞典SRM-D型线为主流型线。
我国曾主要以直接引进国外第二代型线为主，很少改动设计，以单边不对称摆线-销齿圆弧构成的国家标准型线也属于第二代，比第三代型线功耗和噪音大。即使是国际上现有第三代型线技术，在压缩小分子量气体时，输气量下降，热力学效率降低,迫切需要适用于小分子量型线设计的方法。
发明内容
本发明实施例提供了一种用于小分子量气体压缩的螺杆转子型线设计方法，以至少解决现有压缩机的容积效率、热力学效率和可靠性不足的技术问题。
根据本发明的一实施例，提供了一种用于小分子量气体压缩的螺杆转子型线设计方法，包括以下步骤：
构建小分子量气体螺杆式压缩机性能预测模型，模拟热力学和动力学过程；
通过压缩机性能预测模型指导螺杆转子型线设计，对转子内部各特征参数进行权重分析：通过热力学分析，型线设计结合喷油雾化设计，在转子热弹变形的基础上，基于冷、热态机械间隙的比较中施行补偿法设计。
进一步地，根据压比、高低压绝对压差、容积排量的压缩工况来确定型线基本方案，包括阳转子与阴转子的齿数比和齿形的基本包络线。
进一步地，齿形包络线基本构型根据气体压缩方向改变曲线弧度：在吸气侧采用流线型设计，为前圆后尖，弧度先由低到高，再由高到低；在基元容积排气侧，弧度的变化相反；型线光滑连续；在型线进行精磨加工工艺时采用自动补偿功能。
进一步地，根据所需要的容积排量，确定合适的转速和阳转子直径，阳转子的齿顶线速度控制在25-70m/s；齿形线的最佳圆周速度取决于压比和绝对压差、阴阳转子的相对间隙和油量；氢氦小分子量的最佳圆周速度，远低于按下式计算的理论数值：
ur≈uB{[kr/(kr+1)]Rr/[kB/(kB+1)]RB}0.5
式中ur、uB——压缩气体时的最佳圆周速度；
kr、Rr和kB、RB——压缩气体的绝热指数和气体常数。
进一步地，型线几何弧线形状的设计，结合气液两相流体动力学模拟，形成10-50um的润滑油膜，油的粘度选择为ISO32或46粘度等级的合成烃润滑油。
进一步地，以复杂系统多变量参数的整体优化方式进行型线设计，不以单独一个或几个参数的优化为目标，控制啮合间隙在冷态下为20-40um。
进一步地，压缩机性能预测模型被配置为：在几何特性值计算的基础上,利用传热学和流体力学的知识,计算各种泄漏、流动阻力损失,建立从开始吸气到排气过程结束的整个工作过程的数学模型,分析基元容积内压力、温度、质量随转子转角变化的微观特性及排气量、轴功率、绝热效率、容积效率宏观性能,定量比较不同型线的容积效率、绝热效率性能指标,对型线结构参数进行优化,并针对具体情况设计出性能最佳的型线。
进一步地，转子型线设计结合传热传质计算热弹变形，在型线设计时，进行预留变形量的补偿设计方法。
进一步地，在机壳的转子气缸孔与转子接触线顶点设计出一个在机壳长度方向上延伸的小缺口，形成泄漏三角形，对小分量气体工质，型线构型设计要减小泄漏三角形。
进一步地，基于喷油雾化的传热传质学，喷油位置在接近吸气端转子α主轴角为0-15度，油气质量比30-60，喷油粒径为100-200μm。
本发明实施例中的用于小分子量气体压缩的螺杆转子型线设计方法，以整体优化法解决复杂多变量系统的耦合关联问题，以压缩机性能预测模型指导型线设计，对转子内部各特征参数进行权重分析。型线的啮合间隙相对传统型线大大减小，以提高气体工质压缩的容积效率。型线的几何构型更侧重于流线型，一方面降低了流动损失，另一方面提高了油膜附着的厚度，提高了动态密封效果。通过热力学分析，型线设计结合喷油雾化设计，在转子热弹变形的基础上，基于冷、热态机械间隙的比较，施行补充法设计，以避免转子干涉事故，提高可靠性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明用于小分子量气体压缩的螺杆转子型线设计方法的流程图；
图2为本发明用于小分子量气体压缩的螺杆转子型线设计方法的优选流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
根据本发明一实施例，提供了一种用于小分子量气体压缩的螺杆转子型线设计方法，参见图1，包括以下步骤：
S100:构建小分子量气体螺杆式压缩机性能预测模型，模拟热力学和动力学过程；
S200:通过压缩机性能预测模型指导螺杆转子型线设计，对转子内部各特征参数进行权重分析：通过热力学分析，型线设计结合喷油雾化设计，在转子热弹变形的基础上，基于冷、热态机械间隙的比较中施行补偿法设计。
本发明实施例中的用于小分子量气体压缩的螺杆转子型线设计方法，以整体优化法解决复杂多变量系统的耦合关联问题，以压缩机性能预测模型指导型线设计，对转子内部各特征参数进行权重分析。型线的啮合间隙相对传统型线大大减小，以提高气体工质压缩的容积效率。型线的几何构型更侧重于流线型，一方面降低了流动损失，另一方面提高了油膜附着的厚度，提高了动态密封效果。通过热力学分析，型线设计结合喷油雾化设计，在转子热弹变形的基础上，基于冷、热态机械间隙的比较，施行补偿法设计，以避免转子干涉事故，提高可靠性。
其中，根据压比、高低压绝对压差、容积排量的压缩工况来确定型线基本方案，包括阳转子与阴转子的齿数比和齿形的基本包络线。
其中，齿形包络线基本构型根据气体压缩方向改变曲线弧度：在吸气侧采用流线型设计，为前圆后尖，弧度先由低到高，再由高到低；在基元容积排气侧，弧度的变化相反；型线光滑连续；在型线进行精磨加工工艺时采用自动补偿功能。
其中，根据所需要的容积排量，确定合适的转速和阳转子直径，阳转子的齿顶线速度控制在25-70m/s；齿形线的最佳圆周速度取决于压比和绝对压差、阴阳转子的相对间隙和油量；氢氦小分子量的最佳圆周速度，远低于按下式计算的理论数值：
ur≈uB{[kr/(kr+1)]Rr/[kB/(kB+1)]RB}0.5
式中ur、uB——压缩气体时的最佳圆周速度；
kr、Rr和kB、RB——压缩气体的绝热指数和气体常数。
其中，型线几何弧线形状的设计，结合气液两相流体动力学模拟，形成10-50um的润滑油膜，油的粘度选择为ISO32或46粘度等级的合成烃润滑油。
其中，以复杂系统多变量参数的整体优化方式进行型线设计，不以单独一个或几个参数的优化为目标，控制啮合间隙在冷态下为20-40um。
其中，压缩机性能预测模型被配置为：在几何特性值计算的基础上,利用传热学和流体力学的知识,计算各种泄漏、流动阻力损失,建立从开始吸气到排气过程结束的整个工作过程的数学模型,分析基元容积内压力、温度、质量随转子转角变化的微观特性及排气量、轴功率、绝热效率、容积效率宏观性能,定量比较不同型线的容积效率、绝热效率性能指标,对型线结构参数进行优化,并针对具体情况设计出性能最佳的型线。
其中，转子型线设计结合传热传质计算热弹变形，在型线设计时，进行预留变形量的补偿设计方法。
其中，在机壳的转子气缸孔与转子接触线顶点设计出一个在机壳长度方向上延伸的小缺口，形成泄漏三角形，对小分量气体工质，型线构型设计要减小泄漏三角形。
其中，基于喷油雾化的传热传质学，喷油位置在接近吸气端转子α主轴角为0-15度，油气质量比30-60，喷油粒径为100-200μm。
下面以具体实施例，对本发明的用于小分子量气体压缩的螺杆转子型线设计方法进行详细说明：
本发明旨在有效指导高效氦气或氢气型线的开发,根据不同的运行工况，设计出适用于氢气、氦气等小分子量气体工质压缩的螺杆型线，以提高压缩机的容积效率、热力学效率和可靠性，满足大型低温工程等实际需要。本发明也可用于指导氨、氟利昂、甲烷、二氧化碳等气体工质螺杆型线的开发，氦气也是一种可以充分反映压缩性能的敏感化的工质。主要解决氢气、氦气等小分子量气体，在使用螺杆式压缩的时候，容易泄漏，造成实际输气量相对于空压机等大的降低和热力学效率低的问题。从螺杆式压缩机最核心和根本上通过型线设计解决小分子量气体在转子内部泄漏的问题。
本发明以整体优化法解决复杂多变量系统的耦合关联问题，以压缩机性能预测模型指导型线设计，对转子内部各特征参数进行权重分析。型线的啮合间隙相对传统型线大大减小，以提高气体工质压缩的容积效率。型线的几何构型更侧重于流线型，一方面降低了流动损失，另一方面提高了油膜附着的厚度，提高了动态密封效果。通过热力学分析，型线设计结合喷油雾化设计，在转子热弹变形的基础上，基于冷、热态机械间隙的比较，施行补充法设计，以避免转子干涉事故，提高可靠性。参见图2，具体包括：
1.不能用一种型线适应各种工况，根据压缩工况(压比、高低压绝对压差、容积排量等)来确定型线基本方案，包括阳转子与阴转子的齿数比和齿形的基本包络线。采用非对称齿数比，例如4/5、5/6、5/7，6/7；对于吸气0.4-0.6MPa、排气16-25MPa,低压比和大排量工况，阴转子齿数取6或7、阳转子齿数取5或6；对单机压比7-16的工况，阴转子齿数取5或6、阳转子齿数取4或5。齿形包络线基本构型根据气体压缩方向改变曲线弧度，以形成稳定的油膜边界层为目的，在吸气侧采用流线型设计，特点为前圆后尖，接近于鱼头弧线，弧度先由低到高，再由高到低；在基元容积排气侧，弧度的变化相反。为适应型线的可加工性，型线光滑连续，不出现尖点。在型线进行精磨加工工艺，要求采用了带有自动补偿功能，型线的加工精度控制在2-7.5μm，齿面粗糙度控制在0.4-0.8μm。
在型线几何构型基础上，进一步计算得到如接触线长度、泄露三角形面积、面积利用系数、吸排气孔口面积及基元容积的变化规律等的型线几何特性值。
2.根据所需要的容积排量，确定合适的转速和阳转子直径，阳转子的齿顶线速度控制在25-70m/s，以获得最优的动力指标，这与空气、天然气以及常见制冷剂的情况不同。齿形线一定的情况下，具体最佳圆周速度取决于压比和绝对压差、阴阳转子的相对间隙和油量。氢氦小分子量的最佳圆周速度，远低于按下式计算的理论数值，主要是因为实际工作时是通过油膜来实现各种机械间隙内的密封功能的，过高的圆周线速度容易把附着的油膜减薄甚至破坏边界层，造成小分子量气体在转子内部高低压之间的泄漏量增加，因为小分子量的气体扩散速度是空气的3倍左右，容易泄漏。
ur≈uB{[kr/(kr+1)]Rr/[kB/(kB+1)]RB}0.5
式中ur、uB——压缩气体时的最佳圆周速度；
kr、Rr和kB、RB——压缩气体的绝热指数和气体常数；
在压缩较轻气体时，例如氢和氦，根据上式计算的最佳的圆周速度很高，实际中除影响油膜的密封作用外，实际圆周速度也受到转子的动态特性和可靠性等限制。
3.型线几何弧线形状的设计，结合气液两相流体动力学模拟，利于形成10-50um的润滑油膜，以减少啮合间隙内的气体工质泄漏。由于工质气体密度小，油的粘度选择为ISO32或46粘度等级的合成烃润滑油，基于这一点，也不宜提高转速(线速度)。
4.型线设计结合性能预测模型计算分析，提出复杂多参数关联的整体优化方法：由于在型线优化时，接触线长度和泄漏三角形两者至今此消彼长，喷油油气质量比与提高等温效率与增加附加油功损耗之间也相互耦合关联。为减小流体动力损失，型线流线型化，又会增大泄漏三角形。因此，型线设计时，提出复杂系统多变量参数的整体优化方式，不以单独一个或几个参数的优化为目标。基于无量纲化的各因素对压缩性能的影响权重分析，重点解决支配特征参数的优化，同时兼顾其他次要因素的影响。其中，阴阳转子之间的啮合间隙，主要取决于型线的几何构型，且一旦加工完成后，几乎无法进行调整，所以型线设计的重点，控制啮合间隙在冷态下为20-40um。
压缩机性能预测，是在几何特性值计算的基础上,利用传热学和流体力学的知识,全面计算各种泄漏、流动阻力等损失,建立从开始吸气到排气过程结束的整个工作过程的数学模型,分析基元容积内压力、温度、质量等随转子转角变化的微观特性及排气量、轴功率、绝热效率、容积效率等宏观性能,从而能定量比较不同型线的容积效率、绝热效率等性能指标,实现型线结构参数的优化,并针对具体情况设计出性能最佳的型线。具体包括：
1.转子型线设计结合传热传质计算的热弹变形的补偿设计法。由于氢氦气压缩的线速度大或绝热指数大，造成转子的温度升高幅度大，运行状态的转子会出现热弹形变，此时会减小机械间隙。为提高密封性能，已经把机械间隙尽可能的降低，但是为防止热态工作状态下由于热变形引起的转子干涉和抱轴等事故的发生，提高运行的可靠性，需要根据实际工况进行热弹变形计算，在型线设计时，进行预留变形量的补偿设计方法，称之为补偿设计法。
2.在机壳的转子气缸孔与转子接触线顶点有一个在机壳长度方向上延伸的小缺口，形成“泄漏三角形”。型线设计的目标，在提高齿间面积时，使泄漏三角形、接触线长度和转子间的接触应力最小。
3.型线的设计综合考虑喷油位置、喷油速度的影响。基于喷油雾化的传热传质学计算，喷油位置在接近吸气端(转子α主轴角0-15度)；油气质量比30-60；过低的喷油粒径会降低密封性能，喷油粒径为100-200μm。
本发明的优点在于，型线设计不是孤立的数学设计，综合了实际复杂多变量的整体优化法、提高油膜密封性能、热态变形补偿设计等，从而获得有效的适用于小分子量气体压缩的型线，而不是对传统型线的局部改进工作。本发明的型线设计方法，已经在我国不同工况下的氦气压缩机上得到有效验证，证明方法可靠，在大排量工况下的效率已经达到国际领先水平。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于小分子量气体压缩的螺杆转子型线设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建小分子量气体螺杆式压缩机性能预测模型，模拟热力学和动力学过程；
通过压缩机性能预测模型指导螺杆转子型线设计，对转子内部各特征参数进行权重分析：通过热力学分析，型线设计结合喷油雾化设计，在转子热弹变形的基础上，基于冷、热态机械间隙的比较施行补偿法设计。
2.根据权利要求1所述的用于小分子量气体压缩的螺杆转子型线设计方法，其特征在于，根据压比、高低压绝对压差、容积排量的压缩工况来确定型线基本方案，包括阳转子与阴转子的齿数比和齿形的基本包络线。
3.根据权利要求2所述的用于小分子量气体压缩的螺杆转子型线设计方法，其特征在于，齿形包络线基本构型根据气体压缩方向改变曲线弧度：在吸气侧采用流线型设计，为前圆后尖，弧度先由低到高，再由高到低；在基元容积排气侧，弧度的变化相反；型线光滑连续；在型线进行精磨加工工艺时采用自动补偿功能。
4.根据权利要求3所述的用于小分子量气体压缩的螺杆转子型线设计方法，其特征在于，根据所需要的容积排量，确定合适的转速和阳转子直径，阳转子的齿顶线速度控制在25-70m/s；齿形线的最佳圆周速度取决于压比和绝对压差、阴阳转子的相对间隙和油量；氢氦小分子量的最佳圆周速度，远低于按下式计算的理论数值：
ur≈uB{[kr/(kr+1)]Rr/[kB/(kB+1)]RB}0.5
式中ur、uB——压缩气体时的最佳圆周速度；
kr、Rr和kB、R B——压缩气体的绝热指数和气体常数。
5.根据权利要求4所述的用于小分子量气体压缩的螺杆转子型线设计方法，其特征在于，型线几何弧线形状的设计，结合气液两相流体动力学模拟，形成10-50um的润滑油膜，油的粘度选择为ISO32或46粘度等级的合成烃润滑油。
6.根据权利要求5所述的用于小分子量气体压缩的螺杆转子型线设计方法，其特征在于，以复杂系统多变量参数的整体优化方式进行型线设计，不以单独一个或几个参数的优化为目标，控制啮合间隙在冷态下为20-40um。
7.根据权利要求6所述的用于小分子量气体压缩的螺杆转子型线设计方法，其特征在于，压缩机性能预测模型被配置为：在几何特性值计算的基础上,利用传热学和流体力学的知识,计算各种泄漏、流动阻力损失,建立从开始吸气到排气过程结束的整个工作过程的数学模型,分析基元容积内压力、温度、质量随转子转角变化的微观特性及排气量、轴功率、绝热效率、容积效率宏观性能,定量比较不同型线的容积效率、绝热效率性能指标,对型线结构参数进行优化,并针对具体情况设计出性能最佳的型线。
8.根据权利要求7所述的用于小分子量气体压缩的螺杆转子型线设计方法，其特征在于，转子型线设计结合传热传质计算热弹变形，在型线设计时，进行预留变形量的补偿设计方法。
9.根据权利要求8所述的用于小分子量气体压缩的螺杆转子型线设计方法，其特征在于，在机壳的转子气缸孔与转子接触线顶点设计出一个在机壳长度方向上延伸的小缺口，形成泄漏三角形，对小分量气体工质，型线构型设计要减小泄漏三角形。
10.根据权利要求9所述的用于小分子量气体压缩的螺杆转子型线设计方法，其特征在于，基于喷油雾化的传热传质学，喷油位置在接近吸气端转子α主轴角为0-15度，油气质量比30-60，喷油粒径为100-200μm。
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| WO2020139878A1 (en) * | 2018-12-27 | 2020-07-02 | Bl Technologies, Inc. | System and method for dynamic monitoring and control of a process gas compressor |
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| CN114109824A (zh) * | 2021-11-25 | 2022-03-01 | 江南大学 | 一种双螺杆转子型线综合性能判断及优化设计方法 |
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2022
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