CP型单螺杆压缩机关键技术研究及内流场模拟

摘要

CP型单螺杆压缩机是上世纪70年代研制的第三代高档压缩机,依靠星轮与螺杆的啮合来实现气体的压缩过程,广泛应用于工业众多领域。目前国内只有少数压缩机生产商能批量生产单螺杆压缩机,但还有不少理论和加工问题任然有待于解决。研究单螺杆压缩机内部流动对改良压缩机性能意义重大,应用 CFD模拟可以很大程度缩短单螺杆压缩机相关机械的设计、优化以及生产周期。
　　本文借助MATLAB、UG和FLUENT等软件对CP型单螺杆压缩机的型线设计及内流场进行了研究,主要内容如下:
　　在微分几何原理和经典啮合理论的基础上分析了CP型单螺杆压缩机动态啮合过程以及螺杆和星轮的空间运动关系,运用坐标变换建立了以圆柱为包络母面的螺旋槽数学模型并推导出螺槽两侧面的型线方程和一次包络啮合条件,同时利用反包络求解方法,推导出星轮齿廓的二次包络型线方程和啮合条件。
　　分析平面二次包络星轮齿面的组成,并运用截面法将二次包络星轮片齿面离散成曲线,运用MATLAB编程计算了离散曲线上的点建立了星轮齿面的离散点云模型。在UG软件中将离散的点云拟合成三维曲面并建立单螺杆压缩机螺杆和二次包络星轮的三维实体模型。运用快速成型机制造了单螺杆压缩机螺杆、二次包络星轮和机壳的塑料模型,随后应用片体修型完成星轮特性面的建模—第三条接触线。
　　抽取单螺杆压缩机的内部流场模型,考虑整个内流场模型的边界条件相当复杂以及网格数量超出了电脑内存的计算范围,本文将几何模型分两步计算:螺旋槽内流场的计算和出流管道的模拟。应用动网格和滑移网格分别模拟螺旋槽的压缩过程及出流管道的排气,同时模拟了出流管道在螺杆四个不同转速下的压力、温度、体积流量等参数,并细致分析单螺杆压缩机的螺槽和排气管道的分布特性。
　　搭建单螺杆压缩机试验台,测量单螺杆压缩机在螺杆不同转速的四种工况下的压力、速度、体积流量等数据,同时应用绝热压缩过程计算了螺旋槽内气体的压缩情况,比较实验数据、理论计算结果和模拟结果的误差,确定了 FLUENT模拟的合理性。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 CP型单螺杆压缩机的结构简介

1.3 单螺杆压缩机国内外研究概况

1.4 CFD软件简介

1.5 本课题的目的及意义

1.6 本文主要研究内容

第二章 单螺杆压缩机的啮合原理

2.1 单螺杆压缩机啮合副型线

2.2 啮合副坐标系的建立及变换

2.3 螺旋槽侧面的方程

2.4 二次包络星轮的齿面方程

2.5 本章小结

第三章 单螺杆压缩机三维实体建模及特性面的拟合

3.1 圆柱二次包络型线啮合副主要几何参数

3.2 单螺杆压缩机螺杆的三维建模

3.3 星轮片的建模

3. 4 总体装配

3.5 单螺杆压缩机螺杆和星轮的快速成型

3.6 星轮的特性面的建立

3.7 本章小结

第四章 CP型单螺杆压缩机内流场模拟分析

4.1模型计算基础理论

4.2 CFD的求解步骤

4.3 流道的几何模型和网格划分

4.4 边界条件设置

4.5 数值仿真方法

4.6 螺杆内部流场计算结果分析

4.7 不同工况下出流管道的流场分析

4.8 本章小结

第五章 CP型单螺杆压缩机特性试验研究

5.1 试验系统简介

5.2 试验目的

5.3 实验系统的主要设备

5.4 实验测量系统及性能

5.5 单螺杆压缩机实验系统的搭建

5.6 仿真验证实验

5.5 实验数据与仿真结果的比较

5.7 旋槽容积压强计算

总结与展望

参考文献

攻读硕士期间所发表的论文与参与的科研项目

一、发表的论文

二、参与的科研项目

致谢