CN115559904A - 一种变导程双螺杆机械及其轴向喷液主动调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变导程双螺杆机械及其轴向喷液主动调控方法，变导程双螺杆机械包括机壳、吸气端轴承座、喷嘴和喷液流动速度控制组件，吸气端轴承座周向开设有喷液进入孔，吸气端轴承座靠近工作腔侧端面开设有喷嘴轴向安装孔，喷液进入孔与喷嘴轴向安装孔连通，喷嘴固定在喷嘴轴向安装孔内以形成喷射液体，喷液进入孔与喷液流动速度控制组件相连，本发明通过喷液流动速度控制组件调节初始喷液流动速度，并利用喷射液体的流动速度变化规律与基元容积轴向移动速度变化规律的一致性，可延长雾化液滴的存在时间，强化双螺杆机械工作过程中喷射液体与工质气体的传热传质，显著提高双螺杆机械性能。
Description
技术领域
本发明属于双螺杆机械技术领域，涉及双螺杆压缩机、双螺杆膨胀机的轴向喷液结构及轴向喷液主动调控方法。
背景技术
双螺杆机械由于其在中、低压工况下可靠性高、效率高、操作方便、适应性强、维护费用低等优点，被广泛地应用在制冷、空气压缩/膨胀以及石油化工等行业。为了提高双螺杆机械的性能，常采用喷液(油、水或其它液体)结构降低其工作腔内的工质气体压缩过程的温度或提高工质气体膨胀过程的温度以完善热力过程，从而实现近等温压缩或膨胀。
目前喷液结构的喷液方式主要分为进气喷液和工作腔径向喷液。工质气体在工作腔内被压缩或膨胀时，由工作腔径向喷液形成的液滴，其飞行过程的持续时间理论上最多能达到阳转子转过一个齿对应的转角所需的时间，而阳转子齿数一般不小于3，即液滴飞行过程的持续时间很短，所对应的阳转子旋转角度小于120°，并且这两种喷液方式都会使喷射入工作腔的液体(简称喷射液体)快速与工作腔壁面碰撞并粘附，导致喷射液体主要以液膜而非液滴的形式存在。喷射液体少量或不以液滴的形式存在，会降低喷射液体的传热传质的面积，使得喷射液体和工质气体之间的传热传质效果差，从而导致工质气体和喷射液体的换热大部分是在排气过程以及在排气管道内流动时完成。尽管可以通过精确控制喷液结构的出口速度提高喷液量，例如CN202404113U，但提高喷液量会增大喷射液体的搅动损失，降低双螺杆机械的等熵效率和其他热力性能，且对于提高喷射液体和工质气体之间的传热传质作用有限，无法有效实现近等温压缩或膨胀。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变导程双螺杆机械及其轴向喷液主动调控方法，以解决喷射入工作腔的液体以液膜形式存在所导致的与工质气体传热传质效果差的难题。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种变导程双螺杆机械，该双螺杆机械包括机壳、位于机壳内的工作腔、变导程阴转子、变导程阳转子和喷液装置，所述工作腔内设置有变导程阴转子和变导程阳转子相互啮合旋转的部分，喷液装置包括用于将液体喷射入工作腔并在工作腔内使其(液体)转化为沿着变导程阴、阳转子轴向流动的液滴状的喷射液体(例如雾化液滴形式的液体)的喷嘴，喷射液体的流动速度变化(即液滴流动速度的变化)规律与基元容积(基元容积就是变导程阴转子和变导程阳转子相连通的一对齿间容积组成的控制容积)的轴向移动速度变化规律一致。
优选的，所述双螺杆机械为变导程双螺杆压缩机，喷嘴位于变导程阴转子的轴线和变导程阳转子的轴线所在水平面的高压侧，并沿着变导程阴、阳转子孔交线的连线的方向布置，以实现喷射液体与工质气体在压缩和排气过程中传热传质。
优选的，所述双螺杆机械为变导程双螺杆膨胀机，喷嘴位于使喷射液体到达工作腔内工质气体处于膨胀过程的区域的任意位置。
优选的，所述喷嘴在变导程双螺杆膨胀机的变导程阴、阳转子两侧(即变导程阴转子不与变导程阳转子啮合的一侧，以及变导程阳转子不与变导程阴转子啮合的一侧)均布置多个，以实现喷射液体与工质气体在膨胀过程中充分传热传质。
优选的，所述双螺杆机械还包括与机壳相连的吸气端轴承座，喷嘴设置在吸气端轴承座上。
优选的，所述吸气端轴承座的周向上开设有可以与外界相通的喷液进入孔，吸气端轴承座的端面(具体为紧邻工作腔的端面)上开设有喷嘴安装孔，喷液进入孔与喷嘴安装孔相连，喷嘴通过喷嘴安装孔固定在吸气端轴承座内。
优选的，所述喷嘴的一端(具体为出口端)与吸气端轴承座的一端(具体为紧邻工作腔的端面)重合，从而避免喷嘴由于凸出于吸气端轴承座的端面而干涉变导程阴、阳转子的旋转，也避免喷嘴由于内凹于吸气端轴承座的端面而形成泄漏点)；为了保证液体能够经喷液进入孔进入喷嘴安装孔，喷嘴的长度小于喷嘴安装孔的长度。
优选的，所述喷嘴的出口沿着转子轴向(变导程阴转子和变导程阳转子的轴向位置相同)布置。
优选的，所述喷嘴的数量为一个或多个，喷嘴的数量决定了喷嘴安装孔的数量。例如对于变导程双螺杆压缩机，可以在吸气端轴承座上参照上述变导程阴、阳转子孔交线的连线位置开设一个圆心与该连线重合或接近(使喷射液体可以到达工作腔内工质气体处于压缩过程的区域即可)的一个喷嘴安装孔，并在该喷嘴安装孔内固定一个喷嘴，即此双螺杆压缩机的轴向喷液结构中，喷嘴安装孔的数量就与喷嘴的数量相同。
优选的，所述喷嘴可直接加工在吸气端轴承座上，从而省去喷嘴安装孔。
优选的，所述喷液装置还包括喷液流动速度控制组件，喷液流动速度控制组件用于调节由喷液装置的轴向喷液结构形成的液滴状的喷射液体的初始喷液流动速度(即喷射液体在喷嘴出口处的瞬时流动速度，简称喷嘴的初始喷液流动速度)，喷液流动速度控制组件可以采用阀门或者液体泵等元件，并与喷液进入孔相连。
一种变导程双螺杆机械轴向喷液主动调控方法，包括以下步骤：
对于上述变导程双螺杆机械，通过所述喷液流动速度控制组件调节喷嘴的初始喷液流动速度，使喷射液体(喷射液体用于在双螺杆机械的工作过程中与工质气体传热传质)的流动速度变化规律在双螺杆机械不同工况(如不同转速)下与基元容积的轴向移动速度变化规律保持一致。
优选的，所述初始喷液流动速度是经过对喷液流动速度控制组件进行标定而确定的。
优选的，所述基元容积的轴向移动速度变化规律可以通过在双螺杆机械设计中调节其变导程曲线进行控制，所述喷射液体的流动速度变化规律可由针对工作腔流域的CFD模拟计算或可视化实验获得。
本发明的有益效果体现在：
本发明通过采用变导程转子并利用喷液装置(具体为包含喷嘴的轴向喷液结构)向变导程转子工作腔供给沿轴向流动的液滴状喷射液体，以及利用该喷射液体的流动速度变化与基元容积轴向移动速度变化的一致性设计，强化喷射液体与工质气体的传热传质效果，可实现近等温压缩或膨胀，提高了双螺杆压缩机、双螺杆膨胀机等双螺杆机械的性能。
进一步的，本发明通过采用喷液流动速度控制组件，在双螺杆机械工作过程(工质的气体的压缩、膨胀等过程)中实现喷射液体的流动速度变化与基元容积轴向移动速度变化一致。
附图说明
图1为双螺杆压缩机径向喷液(a)与轴向喷液(b)原理示意图；
图2为轴向喷液变导程双螺杆压缩机的结构主视剖面图；
图3为轴向喷液变导程双螺杆压缩机的结构侧视图(省略吸气端轴承座)；
图4为轴向喷液变导程双螺杆膨胀机的结构侧视图(省略吸气端轴承座)；
图中：1-机壳，2-吸气端轴承座，3-喷嘴，4-喷液流动速度控制组件，5-变导程阴转子，6-变导程阳转子，7-喷液进入孔，8-喷嘴轴向安装孔，9-阴、阳转子轴线所在水平面，10-基元容积，11-阴、阳转子孔交线的连线，12-高压孔口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，所述实施例仅用于解释本发明，而非对本发明保护范围的限制。
实施例1
参见图1a，现有喷液螺杆机械大多采用工作腔径向喷液，喷入工作腔的液体雾化成液滴(如图中黑点所示)，流动速度垂直于转子轴线方向，随时间变化规律为νw(t)，而随着转子的旋转(阳转子角速度为ω)，基元容积沿着转子轴线方向移动，随时间变化规律为νc(t)，由于液滴流动速度和基元容积移动速度方向垂直，雾化的液滴会快速与壁面碰撞并粘附成液膜，导致工作腔内的液态水大多以液膜(而非液滴)的形式存在，严重降低工质气体和液体间的传热传质。
参见图1b，如果采用工作腔轴向喷液，喷入工作腔的液体雾化成液滴(如图中黑点所示)，流动速度沿着转子轴线方向，随时间变化规律为νw(t)，而随着转子的旋转(阳转子角速度为ω)，基元容积也沿着转子轴线方向移动，随时间变化规律为νc(t)，由于液滴流动速度和基元容积移动速度方向相同，只要能够保证喷射液体流动速度变化规律νw(t)和基元容积轴向移动速度变化规律νc(t)一致，雾化的液滴就可以从吸气端面一直流动到排气端面，这个过程中液滴飞行时间对应的阳转子转角一般大于360°。
根据以上分析，工作腔轴向喷液中可以通过主动调控使得喷射液体的流动速度变化规律νw(t)与基元容积的轴向移动速度变化规律νc(t)一致，从而延长雾化液滴存在时间，强化工质气体和液体间的传热传质，提高螺杆机械热力性能。
对于传统的恒导程螺杆机械，基元容积轴向移动速度为定值，不随时间变化，而喷射液体的流动速度在飞行过程中受到重力、相间作用力等作用会衰减，因此无法实现喷射液体的流动速度与基元容积轴向移动速度始终相等，从而导致液滴还是会与转子齿面碰撞而粘附，并形成液膜。为此，不仅在设计阶段需要通过调节转子变导程曲线，控制基元容积的轴向移动速度变化规律νc(t)，以满足喷射液体的流动速度变化规律νw(t)与基元容积的轴向移动速度变化规律一致，还需要控制工作过程中初始喷液流动速度νw(t＝0)等于基元容积初始轴向移动速度νc(t＝0)。
在变导程双螺杆机械设计中，可先确定初始喷液流动速度和基元容积初始轴向移动速度(该轴向移动速度取决于转子端面型线和转速)，并使得二者相等，再确定喷射液体的流动速度变化规律，最后确定基元容积轴向移动速度变化规律(使其与喷射液体的流动速度变化规律一致)，其中喷射液体的流动速度变化规律可由针对工作腔流域的CFD模拟计算或可视化实验获得。
参见图2，本实施例提供的变导程双螺杆压缩机包括机壳1、吸气端轴承座2、喷嘴3和喷液流动速度控制组件4，机壳1内安装有变导程阴转子5和变导程阳转子6相互啮合旋转的部分(转子变导程曲线及端面型线已设计确定)，吸气端轴承座2(内置轴承以连接变导程阴转子5和变导程阳转子6伸出工作腔的部分)周向上开设有喷液进入孔7(钻孔)，吸气端轴承座2靠近工作腔侧端面开设有喷嘴轴向安装孔8，该喷嘴轴向安装孔8位于双螺杆压缩机阴、阳转子轴线所在水平面9的高压侧(即高压孔口12所在的一侧)；喷液进入孔7与喷嘴轴向安装孔8连通，喷嘴3固定安装在吸气端轴承座2上的喷嘴轴向安装孔8内，喷嘴3靠近工作腔的端面(即出口端)与吸气端轴承座2靠近工作腔的端面重合，喷嘴3的长度小于喷嘴轴向安装孔8的长度。
参见图2，所述喷液进入孔7与喷液流动速度控制组件4相连，当喷液流动速度控制组件4的入口压力较高时，喷液流动速度控制组件4采用阀门元件，通过阀门元件调节喷液流量，使初始喷液流动速度达到基元容积初始轴向移动速度；当喷液流动速度控制组件4的入口压力较低时，喷液流动速度控制组件4采用液体泵元件，通过液体泵元件调节喷液流量，使初始喷液流动速度达到基元容积初始轴向移动速度。在一定工况下(例如在设定的转子角速度下)，通过调节初始喷液流动速度，可以满足经喷嘴3喷射入工作腔的液体的流动速度变化规律与基元容积10的轴向移动速度变化规律一致。
所述喷液流动速度控制组件4预先进行标定：在喷液流动速度控制组件4入口安装流量计，出口安装压力计，实验时测量不同压力下的喷液流量，喷液的流量和初始喷液流动速度为线性关系，从而得出不同压力下的初始喷液流动速度。
参见图3，所述吸气端轴承座2上的喷嘴轴向安装孔8的圆心，也是喷嘴3端面的圆心，且与双螺杆压缩机阴、阳转子孔交线的连线11重合，以保证将液体完全喷入工质气体压缩区域，以实现喷射液体在压缩过程与工质气体充分传热传质。
实施例2
参见图4，本实施例提供的变导程双螺杆膨胀机，与实施例1提供的变导程双螺杆压缩机在轴向喷液结构上的不同之处在于：喷嘴3位于能够将液体喷射入工质气体膨胀区域的位置，如在变导程阴、阳转子两侧均布置多个喷嘴3，以实现喷射液体在膨胀过程与工质气体充分传热传质。
总之，本发明通过喷液流动速度控制组件调节喷嘴的初始喷液流动速度，并利用喷射液体的流动速度变化规律与基元容积的轴向移动速度变化规律的一致性，可以使得雾化液滴的飞行过程持续阳转子转过360°转角以上所需时间，相比进气喷液和工作腔径向喷液的传统喷液方式至少延长了雾化液滴的存在时间3倍以上，从而强化工作过程中喷射液体与工质气体的传热传质效果，可实现近等温压缩或膨胀，显著提高了双螺杆压缩机、双螺杆膨胀机等双螺杆机械的性能。
Claims (10)
1.一种变导程双螺杆机械，其特征在于：该双螺杆机械包括机壳(1)、位于机壳(1)内的工作腔、变导程阴转子(5)、变导程阳转子(6)和喷液装置，所述工作腔内设置有变导程阴转子(5)和变导程阳转子(6)相互啮合旋转的部分，喷液装置包括用于将液体喷射入工作腔并转化为沿着轴向流动的液滴状的喷射液体的喷嘴(3)，喷射液体的流动速度变化规律与基元容积的轴向移动速度变化规律一致。
2.根据权利要求1所述一种变导程双螺杆机械，其特征在于：所述双螺杆机械为变导程双螺杆压缩机，喷嘴(3)位于变导程阴转子(5)的轴线和变导程阳转子(6)的轴线所在水平面的高压侧，并沿着变导程阴、阳转子孔交线的连线(11)的方向布置；或者所述双螺杆机械为变导程双螺杆膨胀机，喷嘴(3)使喷射液体到达工作腔内工质气体处于膨胀过程的区域。
3.根据权利要求1所述一种变导程双螺杆机械，其特征在于：所述双螺杆机械还包括与机壳(1)相连的吸气端轴承座(2)，喷嘴(3)设置在吸气端轴承座(2)上。
4.根据权利要求3所述一种变导程双螺杆机械，其特征在于：所述吸气端轴承座(2)的周向上开设有喷液进入孔(7)，吸气端轴承座(2)的端面上开设有喷嘴轴向安装孔(8)，喷液进入孔(7)与喷嘴轴向安装孔(8)相连，喷嘴(3)设置在喷嘴轴向安装孔(8)内。
5.根据权利要求3或4所述一种变导程双螺杆机械，其特征在于：所述喷嘴(3)的出口与吸气端轴承座(2)的端面重合，喷嘴(3)的长度小于喷嘴轴向安装孔(8)的长度。
6.根据权利要求3所述一种变导程双螺杆机械，其特征在于：所述喷嘴(3)直接加工在吸气端轴承座(2)上。
7.根据权利要求1所述一种变导程双螺杆机械，其特征在于：所述喷液装置还包括用于调节喷嘴(3)的初始喷液流动速度的喷液流动速度控制组件(4)。
8.一种变导程双螺杆机械轴向喷液主动调控方法，其特征在于：包括以下步骤：
通过喷液流动速度控制组件(4)并根据所述双螺杆机械的工况调节喷嘴(3)的初始喷液流动速度，直至满足喷射液体的流动速度变化规律与基元容积的轴向移动速度变化规律一致。
9.根据权利要求8所述一种变导程双螺杆机械轴向喷液主动调控方法，其特征在于：所述初始喷液流动速度是经过对喷液流动速度控制组件(4)进行标定而确定的。
10.根据权利要求8所述一种变导程双螺杆机械轴向喷液主动调控方法，其特征在于：所述基元容积的轴向移动速度变化规律通过在所述双螺杆机械设计中调节变导程曲线进行控制，所述喷射液体的流动速度变化规律由CFD模拟计算或可视化实验获得。
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