Feb. 2019
Vol. 47 No. 3
2019年2月
第47卷第3期
机床与液压
MACHINE TOOL & HYDRAULICS
DOI ： 10.3969/j. issn. 1001-3881.2019. 03. 028
本文引用格式：王小明，田岗，罗嗣骁，等.平衡式双螺杆压缩机数值模型构建与数值模拟[J].机床与液压,2019,47(3)： 142-146.
WANG Xiaoming,TIAN Gang, LUO Sixiao , et al. Model Construction and Numerical Simulation of Balanced Twin- screw Compressor [ J ] .Machine Tool & Hydraulics ,2019,47(3) : 142- 146.
平衡式双螺杆压缩机数值模型构建与数值模拟
王小明I，田岗I，罗嗣骁2，邓玲-熊国良-万长标-刘少锋I
(1.华东交通大学机电与车辆工程学院，江西南昌330013； 2.上海铁路局，上海200000)
摘要：双螺杆压缩机是工业领域中可燃气等介质回收输送的主流装置。针对使用中的双螺杆压缩机转子单向受力的不 足，提出一种可实现工作负载相向配置的平衡式双螺杆压缩机。为研究其工作过程中内部流场特性，基于平衡式双螺杆压 缩机工作原理及基本结构建立了其流体数值模型，利用CFD 技术，采用SIMPLEC 算法及RNG/K-&湍流模型对其工作过程 进行了数值模拟，得到了平衡式双螺杆压缩机工作过程中流体压力、速度以及密度的分布情况，为平衡式双螺杆压缩机工 程应用提供参考。
关键词：平衡式双螺杆压缩机；流体数值模型；湍流模型；数值模拟
中图分类号：TH455
Model Construction and Numerical Simulation of Balanced Twin-screw Compressor
WANG Xiaoming ], TIAN Gang 1, LUO Sixiao 2, DENG Ling 1, XIONG Guoliang 1, WAN Changbiao 1, LIU Shaofeng 1
(1. College of Electromechanical and Vehicle Engineering , East China Jiaotong University, Nanchang Jiangxi
330013 , China ； 2. Shanghai Railway Bureau , Shanghai 200000, China)
Abstract : Twin screw compressor is the mainstream device of the combustible gas and other media recovery and transportation in
in d ustrial field. For the defects of the one-way force of the twin-screw compressor in u, a balanced twin-screw compressor which could achieve the opposite configuration of the workload was propod. In order to study the internal flow field characteristics in the working process , the fluid numerical model was established bad on the working principle and basic structure of the balanced twin-screw com
pressor ,and the numerical simulation of the balanced twin-screw compressor working process was carried on by SIMPLEC algorithm and RNG/k -£ turbulence model of CFD. The distributions of fluid pressure , velocity and density in the process of balanced twin-screw compressor were obtained. It provides reference for the engineering application of balanced twin-screw compressor.
Keywords : Balanced twin-screw compressor ； Fluid numerical model ； Turbulence model ； Numerical simulation
0前言
双螺杆压缩机在石油、石化企业可燃气回收输送 过程中发挥着重要作用，其主要优势在于运动部件采
用纯旋转运动方式，这使得双螺杆压缩机可以实现更 高的转速并且在更大范围的工作条件下保持高效率和 输送率⑴。然而目前使用中的双螺杆压缩机均采用一
端吸气一端排气的结构方式，这使得其内部支承结构 及螺杆单向受力，在高压工况条件下存在断轴的可
能，不利于可燃气回收输送装置的正常运行，甚至引 发安全事故。
针对双螺杆压缩机在使用中所表现出的某些显著 弱点，设计了一种平衡式双螺杆压缩机⑵。通过在机
体内设置双工作腔，采用中部吸气、两侧排气的对称
结构，实现了工作过程中气体力的相向配置，可实现 支承件所受气体轴向力为零且不受工况条件影响，从 而大大改善了支承祥受力情况，使得无故障运行时间
成倍提升。
探究平衡式双螺杆压缩机内部流场变化规律，寻
求降低流体介质吸入、压缩、排出过程中由于流体运 动特性改变所引起的冲击、振动、噪声及温升等不利
因素的办法是更好地挖掘平衡式双螺杆压缩机优势结 构下的优异特性的必然途径。一般讲，采用常用的实 验手段很难获取这些技术数据，而CFD 流体分析工
具为深入研究它由于内部结构而表现出的技术特性提 供了有效手段⑶。然而，要有效利用好CFD 流体分 析工具，其关键是构建尽可能接近实际工况条件的流
收稿日期：2017-10-10
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51465016）；江西省科技支撑计划项目（2010BGB00601）；江西省教育厅科技成果
转化项目（12010）；江西省教育厅产学研合作资助项目（GJJ10005）
作者简介：王小明（ 1959-），男，高级工程师，主要从事流体机械设计制造与研究、机电过程自动化方面的研究工作。
E-mail : 。
第3期王小明等：平衡式双螺杆压缩机数值模型构建与数值模拟•143•
体数值模型。
由于平衡式双螺杆压缩机相对于传统双螺杆压缩机在结构上存在巨大差异，因此其内部气流通道也存在巨大变化，若采用传统双螺杆压缩机流体数值模型来研究平衡式双螺杆压缩机工作特性，其结果将不具有说服力，因此必须基于平衡式双螺杆压缩机结构进行流体数值模型的构建。文献［4］中，在构建平衡式双螺杆压缩机流体数值模型时将转子刚体部分和内腔流体部分重叠配置，使得仿真数据的精度受到了限制。文献［5］中在此基础上对上述流体数值模型进行了阴、阳转子无交互的基元容积修正，提高了模型的精度，但是，由于模型中阴、阳转子无交互，与实际情况存在较大的差异。同时文献［4］和文献［5］中的建模过程中均未考虑左、右工作腔共进气流道窜流的影响。鉴于此，重新构建更高精度的数值分析模型很有必要。
1平衡式双螺杆压缩机结构与原理
1.1结构原理
图1给出了平衡式双螺杆压缩机的基本结构，其机体设计为五段式结构，螺杆设计为通过花键连接的
两段式结构，两段螺杆上螺旋齿型大小形状相同，旋向相反，分别配置于左、右工作腔机体中，从而组成两个完全对称的工作腔。
,12/11,10/9/8,7,6,5,4,3,2,1
(a)基本结构
(b)三维结构
I—联轴器2—右排气座3—右工作腔4—阳螺杆5—进气口6—花键7—中隔部8—左工作腔9—阴螺杆10-«®密封
II—左排气座12—同步齿轮13—中隔板
图1平衡式双螺杆压缩机结构原理与三维图
为实现两腔同步吸气且无串气过程，在两工作腔中间设有中隔部。中隔部是平衡式双螺杆压缩机设计的关键所在，其上设有进气口用以连通进气装置及左、右工作腔，同时在其内部又设有中隔板用以分隔两工作腔。在左、右工作腔外侧分别配置一设有排气口的排气座，供工作腔排气使用。由于平衡式双螺杆压缩机两工作腔内机械作用完全相同，并且釆用中部吸气两侧排气的结构形式，使得其内部压缩偶件轴向受力相互抵消，大大减小了支承件的轴向负载。
1.2转子型线
螺杆压缩机的性能在很大程度上由转子端面型线决定⑷。为了提升平衡式双螺杆压缩机性能，提高转子生产效率，采用以SRM型线为基础进行修正与改良的XSRM型线作为转子端面型线，其端面形状如图2所示。
2精密数值计算模型的构建
基于2LGS7.0/2.0-AB-1型平衡式双螺杆压缩机的实际结构，将其流体数值模型分为入口流体、左侧基元容积流体、左侧出口流体、右侧基元容积流体、右侧出口流体五部分。其中对基元容积流体的构建思路是利用刚体不可流动及不可穿透的特性，采用形状完全相同的空心部分代替刚体阴、阳转子，其具体的建模方法是利用Pro/E中的“元件操作”命令，除去“8”字形工作腔和阴阳转子的公共部分，留下介质可运动和应该运动的空间部分作为基元容积流体模型，转子齿顶与腔体壁面间距设为0.5mm；进出口流体模型则根据中隔部及排气座的实际结构，采用布尔运算取出其内部空心部分得到，其中入口流体模型加入了左右工作腔共进流道部分。具体的数值分析模型如图3所示。
(»)左、右側基元容积流体模型
<b)左、右側出口流体模型
(c)入口流体模型(d)总流体模型
图3
精密数值仿真流体模型简图
-144•机床与液斥第47卷
3动态数值分析
3.1控制方程
由于平衡式双螺杆压缩机工作腔内流体不仅随着
转子转动，还沿着转子齿槽流动，加上基元容积周期
性变化对工作腔内流体的影响，从而在工作腔内形成
强瞬变性、强旋转和强压缩性的三维复杂流动，其数
学模型属于典型的湍流模型。FLUENT软件提供的
RNG/k-c模型在£方程中加入了反映主流的时均应
变率，同时通过对湍动黏度的修正考虑了旋流及旋转
情况，从而使其可以更精确地处理带高应变流动、旋
流以及流线弯曲度较大的流动卩:。RNG/k-z模型控
制方程如下；吉林省多少人
湍流脉动动能方程：
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湍流耗散率方程:
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v=s K £
S=U+u t S=(2s?s“)s
爱丁堡大学研究生申请条件
C..PK2 U—--------(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
式中：p为压力;u“为等效黏性系数；y为湍流黏性系数；P为气体密度；u为动力黏性系数；”,、兮分别为气体在i、J方向上的速度分量；C”为常数；氏为湍流脉动动能K的湍流Prandtl数；8e为湍流脉动动能耗散率£的Prandtl数；g，为i方向的重力加速度；s,s*均为流体变形率。
式(2)中d*=0.7179,C”=0.08,$”=0.7179, 4=1.68,5=1.41,5=1.42,77o=4.38,C ei= -0.387,0=0.012等为经验常数。
3.2网格划分
在计算流体动力学中，网格就是在流场中按照一定规律分布的离散点的集合，这些离散点的生成过程就叫做网格划分，几何模型只有先进行网格划分才能进行数值模拟⑼。利用Pro/E和ANSYS Workbench间
的“无缝连接”将Pro/E中建好的平衡式双螺杆压缩机流体数值模型导入到ANSYS Workbench中的Meshing模块进行网格划分，其网格类型选择自适应性较强的非结构性四面体网格.采用接触面积控制方式对所有接触面部分进行面积控制何，并利用Curvature函数进行整体网格控制，该函数可自动加密
用心一也
(1)进出口边界条件设置
对平衡式双螺杆压缩机流体模型进出口处的边界设置恰当与否将直接影响进气、压缩和排气过程模拟数据与实际工况误差值的大小。此实例中设定为压力进、出口属性，并按照实际工况条件对进、出口参数进行设置。同时为了进•一步贴近实际工况，还将仿真操作压力设置为一个大气压值。
(2)壁面边界条件设置
依平衡式双螺杆压缩机工作特性，将流体模型的5个子流体部分间的交界面设置为Interface，以保证流体介质在整个流体模型中的顺利流通。每个子流体模型的非交界面设置为Wall以阻隔气体。其中阴阳转子壁面设置为转动壁面；同时设置转速、旋转中心和旋转方向；其他区域的壁面设置为静止壁面。
(3)求解器的设置
模型求解采用分离式求解器，求解算法选择S1MPLEC算法；离散方法选择具有二阶精度截差的二阶迎风格式；单元体上的面压力插值格式选择适用于强压差流、强旋流的PRESTO格式。
3.4模拟参数
此实例中部分模拟参数可参见表1。
表1平衡式双螺杆压缩机模拟参数
参数名称参数值参数名称参数值阳转子外e/mm127.5阳转子转速/(r・minT)3000
阴转子外径/m m127.5阴转子转速/(r•min-1)2000
吸气压力/MPa0.5排气压力/MPa 2.1 3.5模拟数据与分析
对该模型数值模拟中着重提取了流场压力、流速及流体密度三要素进行讨论与分析。
图5给出了平衡式双螺杆压缩机内部流场压力分
第3期王小明等：平衡式双螺杆压缩机数值模型构建与数值模拟・145・
布情况。其中图5(a)为内部流场在轴向10个截面
的压力分布图，图5(b)为阴阳转子啮合区正视剖
面位置的压力分布图，图5(c)为阳转子壁面压力
云图。由图可知：中隔部两侧流场压力分布情况基本
相同，工作腔内流体压力分布以啮合线为分界，啮合
线以上区域压力较低且压力沿轴向变化平稳，啮合线
以下区域压力较高且压力从吸气端向排气端递增，而
啮合线附近压力低于大气压，这说明所采用转子型线
的密封性能较好。
12.1211.912
1.703
1.494
1.285
1.076
8.674X1
6.584X11
4.494X1
2.404xfl
3.137Xf
|MPa|
(町垂直于轴线的不同截面压力分布云图
(b)阴阳转子间轴向截面压力分布云图
12.1211.912
1.703
1.494
空1.285
11.076
■8.674X
H6.584X
■4.494X
■2.404X
■3.137X
|MPa|
(c)阳转子壁面压力云图
图5流场压力分布云图
图6为平衡式双螺杆压缩机压缩区与排气区流场
压力沿轴向变化曲线图。缩减，齿间容积内流体压力不断提高，其压力变化率也逐渐增大，而同一齿间容积内流体压力是相同的。压缩终了时的流体压力与排气区的压力变化不明显，这表明该类型平衡式双螺杆压缩机过压缩损失较小，整体性能较好。可知：随着齿间容积沿轴向
-200-160・120-80-400
z/mm
图6工作腔压力轴
向分布曲线图
图7为平衡式双螺杆压缩机内部流场的速度分布情况。图7(a)为内部流场在轴向10个截面的速度分布图；
图7(b)为阴阳转子啮合区正视剖面位置的速度分布图。可知：中隔部两侧流场速度分布情况存在对称性，总体来说流场流速较为平稳，在进气口处由于阴阳转子的快速转动，导致齿间容积瞬间增大形成真空，流体在压差作用下快速吸入工作腔，此处流速较快；在工作腔内，由于齿间间隙以及齿顶间隙的存在，导致流体由高压区向低压区泄漏，因此啮合处及腔体近壁面区流速较大；在排气口附近，由图6可知，压缩终了时的流体压力与排气区压力变化不大，因此此处流体运动速度相对较为平缓。
.423」
■380.8
*338.5
296.2
総253.9
1211.6
i169.2
■126.9
184.62
■42.31
■0.00
|m/sj
(b)阴阳转子间舗向截面速度分布图
图7流场速度分布云图
图8为压缩机工作腔进气端［图8(a)］和排气端［图8(b)］流场速度矢量图，给出了工作腔内流体基于转子端面流动情况与间隙泄漏情况。可知：流体在工作腔中随着阴、阳转子的转动而分别形成逆时针和顺时针流动的两股旋流，最后汇合于压缩区。在吸气侧，工作腔内流体流动相对平缓，内部流体流动只受阴阳转子转动的影响，泄漏情况并不明显；在排气侧，由于相邻齿间容积内流体压差较大，导致流体从高压区向低压区泄漏，并且在齿间容积内，由于泄漏流与工作腔内正向流的相互作用形成了较强的涡流。
图9为平衡式双螺杆压缩机内部流体密度分布图。其中图9(a)为内部流场在轴向10个截面的密度分布图；
图9(b)为阴阳转子啮合区正视剖面位置密度分布图。可知：中隔部两侧流场密度分布情况基本一致，由于在可压缩流动中，流体压力与流体密度存在线性关系，因此平衡式双螺杆压缩机的流场密度分布规律与流场压力分布规律基本相同，但其在排气流域的分布梯度更为明显
。
・146・机床与液压第47卷
1423」380.8338.5
296.2
山253.9
I169.2
■126.9
■84.62
■42.31
1423.1380.8
338.5
i296.2
制253.9
1211.6
■169.2
鼻唇沟
■126.9
■84.62
■42.31
|m/s|
（a）工作腔进气側速度矢量分布图
（b）工作腔排气側速度矢量分布图
图8工作腔进气侧和排气侧流体速度矢量图
3）垂直于轴线的不同截面密度分布图
（b）阴阳转子间轴向截面密度分布图
图9流场密度分布云图
4结论
基于2LGS7.0/2.0-AB-1型平衡式双螺杆压缩机的实际结构构建其流体数值模型，利用FLUENT软件对其工作过程进行了数值模拟，其结果表明：（1）平衡式双螺杆压缩机中隔部两侧流场特性存在对称性，这表明平衡式双螺杆压缩机中隔部的设计对于左右丁作腔共进流道的窜流问题有较强的抑制作用，同时也表明平衡式双螺杆压缩机可实现工作过程中气体负载的相向配置，进而大大改善支承件的受力。（2）由平衡式双螺杆压缩机内部流场压力分布云图可知所采用转子型线密封性较好。（3）通过所建立流体数值模型对平衡式双螺压缩机工作过程进行数值模拟，可精确地捕捉到高压力、高流速、强泄漏等特殊流场特性的分布位置及分布规律，可为设计进一步抑制振动、气流噪声结构及其他工程应用提供参考数据，也为构建平衡式双螺压缩机精确的流体数值模型提供范例与借鉴。
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(责任编辑：
张艳君)
