基于proe的膨胀动力结构设计

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1、 前言螺杆膨胀机是一门十分年轻的膨胀机种，在技术文献中关于其书籍甚少，因而很难普及。靠气体膨胀消耗内能来对外作功的机械叫原动机或发动机。如燃气轮机、蒸汽轮机、内燃烧机等均是这种动力机械,在实质上都是膨胀机。广义的膨胀机包括发动机狭义膨胀机是指将温度不高的但具有一定压力的气体的 内能转变为机械功的一种动力机械,因此也可叫气体发动机。本文讲的膨胀机主要是对狭义膨胀机而言。按膨胀机能量转换方式的不同,可将膨胀机分为两大类容积式膨胀机和透平膨胀机。不同种类的膨胀机,有着不同的应用范围。一般地讲,容积式膨胀机用于小流量,其中活塞式膨胀机适用于高、中及低压的中小型装置,也就是适用于大膨胀比,小流量的场合。

2、而透平膨胀机主要用于大型装置,即小膨胀比,小流量的场合,因透平膨胀机在高压、小流量的情况下,效率低,所以它的应用受着小气量的限制 。本文讨论的螺杆膨胀机属于容积式膨胀机,是一种新型的膨胀机。近年来日本和西德有人在研究低压螺杆膨胀机,但尚未投入正式商品生产。他们研究的目的,旨在于工业废热回收、地热发电以及制取冷量等。螺杆膨胀机在我国还是一遍未开垦的空白地。螺杆膨胀机用途宽广，可用于低温制冷天然气液化分离化工尾气,烟气,高炉气余热回收地热发电，井口高压天然气压力能回收，亦可在小流量下代替燃气透平,作为新型的燃气发动机用。本文主要进行螺杆膨胀机的结构设计，并应用三维软件绘制出所设计的膨胀机。螺杆膨胀

3、机的心脏部分是带有特殊螺齿的转子副，由于关于螺杆膨胀机的研究我们国家还不是很多，而且螺杆膨胀机的结构与螺杆压缩机相似，两者的工作过程是互逆的，所以在设计过程中借用的螺杆压缩机的转子型线等结构。螺杆压缩机的典型型线结构有 SRM 齿型，Sigma 齿型，X 齿型，CF 齿型和单边非对称摆线-销齿圆弧齿型，其中最后一种齿型在 70 年代末被我国规定为螺杆压缩机非对称齿型的标准齿型，已知沿用至今，而本文中正是应用的这种齿型来设计的。第一章第一章 绪论绪论1.1 螺杆膨胀动力机的简介靠气体膨胀消耗内能来对外作功的机械叫原动机或发动机。如燃气轮机、蒸汽轮机、内燃机等均是这种动力机械,在实质上都是膨胀机。

4、广义的膨胀机包括发动机 狭义膨胀机是指将温度不高的但具有一定压力的气体的 内能转变为机械功的一种动力机械 ,因此也可叫气体发动机。本文讲的膨胀机主要是对狭义膨胀机而言。按膨胀机能量转换方式的不同,可将膨胀机分为两大类 容积式膨胀机和透平膨胀机。不同种类的膨胀机 ,有着不同的应用范围。一般地讲,容积式膨胀机用于小流量,其中活塞式膨胀机适用于高、中及低压的中小型装置,也就是适用于大膨胀比,小流量的场合。而透平膨胀机主要用于大型装置,即小膨胀比,小流量的场合,因透平膨胀机在高压、小流量的情况下,效率低,所以它的应用受着小气量的限制。本文讨论的螺杆膨胀机属于容积式膨胀机,是一种新型的膨胀机。近年来日本

5、和西德有人在研究低压螺杆膨胀机,但尚未投入正式商品生产。他们研究的目的,旨在于工业废热回收、地热发电以及制取冷量等。螺杆膨胀机用途宽广，可用于低温制冷天然气液化分离化工尾气 ,烟气 ,高炉气余热回收、地热发电井口高压天然、气压力能回收，亦可在小流量下代替燃气透平,作为新型的燃气发动机用。1.2 螺杆膨胀机发电的工作原理和工作过程螺杆膨胀机的工作周期是由齿间容积 中的进气、膨胀和排气三个过程组成。由于每个齿间容积依次进行这些过程,因而电力的产生是连续不断的,且还省去了必要的飞轮 。在进气过程中,气体直接从径向和轴向迸入,当进气 口关闭时,齿 间容积形成了一个由转和壳体围成的密闭空间,在密闭空间气

6、体膨胀并产生一个转矩。转子的啮合点随气体的膨胀是向排气端移动的,当它抵达排气端时,膨胀过程结束,齿间容积最大。与此同时,在进气端下一个啮合又开始了,其它进气端都有相应的啮合点,排气过程开始,齿间容积减少到与转子的转动相一致。这就是螺杆膨胀机作为容积式发电机的原理。螺杆膨胀机的主要组成部分如图 1-1（a） ,1-1（b） 。图图 1-11-1（a)a) 螺杆膨胀机结构图螺杆膨胀机结构图图图 1-11-1（b b） 螺杆膨胀机结构图螺杆膨胀机结构图1.径向轴承 2.径向止推轴承 3.阴螺杆转子 4.密封5.密封 6.同步齿轮 7.阳螺杆转子 8.缸体在节圆外具有凸齿的转子叫阳转子，在节圆内具有凹

7、齿的转子叫阴转子螺杆膨胀机工作过如图 1-2 所示 。图图 1-21-2 螺杆膨胀机工作过程螺杆膨胀机工作过程螺杆膨胀机是容积式膨胀机械 ,其运转过程从吸气过程开始 ,然后气体在封闭的齿间容积中膨胀,最后移至排气过程 在膨胀机机体两端,分别开设一定形状和大小的孔口,一个是吸气孔 口 ,一个是排气孔口。阴、阳螺杆和气缸之间形成的呈“V”字形的一对齿间容积值随着转子的回转而变化 ,同时 ,其位置在空间也不断移动 。（1）吸气过程图图 1-2a 高压气体由吸气孔口分别进入阴 、阳螺杆“V ”字形的齿间容积,推动阴、阳螺杆向彼此背离的方向旋转,这两个齿间容积不断扩大,于是不断进气 ,当这对齿间容积后面

8、一齿一旦切断吸气孔口时,这时齿间容积的吸气过程也就结束,膨胀过程开始图 1-2b。（2）膨胀过程图 1-2c 在吸气过程结束后的齿间容积对里充满着高压气休 ,其压力高于顺转向前面一对齿间容积对里的气体压力,在压力差的作用下,形成一定的转矩,阴、阳螺杆转子便朝相互背离的方向转去，于是齿间容积变大,气体膨胀,螺杆转子旋转对外作功。转子继续回转,经某转角后,阴、阳螺杆齿间容积脱离 ,再转一个角度,当阴螺杆齿间容积的后齿从阳螺杆齿间容积中离开时,这时阴、阳齿间容积值达最大值,膨胀结束,排气开始 。（3）排气过程图 1-2d，当膨胀结束时,齿间容积与排气孔口接通,随着转子的回转,两个齿间容积因齿的侵入不

9、断缩 ,将膨胀后的气体往排气端推赶,尔后经排气孔口排出,此过程直到齿间容积达最小值为止 。螺杆啮合所形成的每对齿间容积里的气体进行的上述三个过程是周而复始的 ,所以机器便不停地旋转。1.3 螺杆膨胀机特点就气体膨胀原理而言,螺杆膨胀机与活塞膨胀机一样，同属于容积式膨胀机就其工作件运动形式而言，螺杆膨胀机转子与透平膨胀机转子一样，作高速旋转运动 。故螺杆膨胀机兼有二者的特点。螺杆膨胀机具有较高的齿顶线速度，转速可达每分钟万转以上 。膨胀机小螺杆膨胀机没有曲轴活塞连杆机构，凸轮配气机构，也无进排气阀，结构非常借单，零件数极少，基本无易损件因此运转可靠,寿命长也不存在不平衡惯性力矩，所以甚至可以实现

10、无基础运转。螺杆膨胀机是从高压膨胀到低压，不可能象螺杆压缩机那样进行喷油运转，抓油靠气体压力自动循环。因此螺杆膨胀机通常为干式运转，除非另加 油泵，进行强制性喷油循环在干式螺杆膨胀机中，由于阴 、阳螺杆齿面间，齿顶 与缸孔间存在着间隙 ,因而内泄漏损失大，特别是在低转速时容积效率较低。但由于齿间间隙的存在，则可用于含液的二相流气体如地热发电站的全流螺杆膨胀机,含水、含原油的天然气压力能回收用螺杆膨胀机 ,也可用于含粉尘的气体 如烟气,燃气螺杆膨胀机螺杆膨胀机既可在设计压力下工作,也可在低的吸气压力下工作,即对吸气压力下降变工况的适应能力，不过有附加损失而已螺杆膨胀机 既可在设计气量下工作，也可

11、在小于设计气量下工作，但回收能量亦呈减少趋势螺杆齿面是一空间曲面,加工精度要求很高，需要特制的刀具在专用机床上进行加工,我国有几个工厂，在螺杆庄缩机加工方面已积累了不少宝贵经验 ,对于螺杆膨胀机的制造是不存在问题的 。螺杆齿形及螺杆参数可采用国标 JB2409 一 85 “螺杆压缩机转子和同步齿轮基本参数及尺寸 ”的规定 ,也可采用效率高的新齿形。1.4 国内外研究概况螺杆膨胀机的研究最早可追溯 1952 年，当时，H.R.Nillsen 已取得了螺杆膨胀机作为动力机的专利。60 年代初，美国劳伦斯辐射实验室进行了高温用石墨螺杆膨胀机实验，所用工质是惰性气体氢，而螺杆膨胀机作为汽液两相膨胀机的

12、尝试始于1971 年。1973 年，美国水热电力公司的 R.Sprankle 则获得了螺杆膨胀机用于地热发电的专利。最初的螺杆膨胀机汽液两相实验室实验是 1975 年在美国 Lawerence Livemore Liboratary 简记（LLL）进行的，但当时的实验参数范围较窄。1977 年，该实验室用同一台螺杆膨胀机再度实验，其结果揭示了汽液两相螺杆膨胀机的一些特性。由于实验中采用“节流法 ”生成不同干度的工质，故实验干度范围较小。1981 年，美国加州大学伯克利分校对 LLL 用过的螺杆机的密封做了改进后又进行了实验,获得了较丰富的实验数据,并对螺杆机内部损失的机理提出 了一些看法。在实

13、验室研究的过程中,螺杆膨胀机应用于地热的现场实验也同时展开。1971年至 1973 年,美国水热电力公司将两台螺杆空气压缩机改为膨胀机,并分别在加里福尼亚 Imperial Valley 和墨西哥 Cerro Prieto 进行了现场实验。80 年代初，在世界能源组织 IEA 的资助下，美国水热电力公司设计、建造了 1MW 大型螺杆膨胀机发电机组，并分别在新西兰、意大利和墨西哥作了实验。我国对全流螺杆膨胀机的研究始于 80 年代。当时，天津大学热能研究所结合西藏地热发电科研课题开展了螺杆膨胀机全流系统的研究。1987 年，,该所建造了我国第一套螺杆膨胀机全流实验装置。目前天津大学热能工程系仍在

14、进行这方面的研究， “汽液全流螺杆膨胀机发电技术”已被列为国家“九五 ”期间技术改造示范项目。1.5 螺杆膨胀机技术特点螺杆膨胀机的技术特点主要有以下几点： 它是一种容积式的全流动力设备，能适应过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相流体和热水(包括高盐分热水)工质； 无级调速，转速一般设计为（15003000）r/min，相比同功率汽轮机，有较高的内效率，一般在 65%以上； 在热源参数、功率及热负荷 50%变化范围内，能保持平稳工作且较高运行效率； 单机功率在（502000）Kw； 设备紧凑，占地少，工程施工量小； 操作方便，运行维护简单，而且具有除垢自洁能力，大修周期长； 起动不需要盘车、暖机。噪音

15、低、平稳、安全、可靠，全自动无人值守运行；热源范围 直接驱动螺杆膨胀动力机的热源应用范围如下： 蒸汽参数： 0.15MPa 3.0MPa，温度 170 间接应用的热源范围如下： 蒸汽参数：压力 65 的热水 双循环发电 烟气参数：温度 200 的各种烟气 配余热锅炉发电 1.6 本课题研究的主要内容及方法本课题着重对螺杆膨胀机的转子进行设计计算，以及对转子外壳及前后机座的设计，相关设计参数如下：1）进口蒸汽设计参数：1.0MPa, 180 2)出口蒸汽设计参数：0.07MPa, 90 3）流量设计：22 t/h（或者 44t/h ）4)折合到排气口的排量为：31/ minQm5）内效率：75%

16、80%6）阳转子圆周速度110/um s8）发电功率： 500KW9 外形尺寸：1500 1400 120010）调节类型：电器控制11）系统重量：3000系统设计如下图 1-3：图 1-3 螺杆膨胀机系统设计第二章 螺杆膨胀机设计设计分析螺杆膨胀机的设计主要是对螺杆转子的设计，包括接触线、泄漏三角形、封闭容积、齿间面积的设计，而这些要素的设计最主要的是取决于转自型线的设计，所以本设计主要叙述对螺杆膨胀机得转子型线的设计。本设计中采用阳转子右旋，阴转子左旋。2.1 转子型线的设计2.1.1 转子型线及其要素螺杆膨胀机最关键的是一对相互啮合的转子，转子的齿面与转子轴线垂直面的截交线称为转子型线。对于螺杆膨胀机的转子型线的要求，主要是在齿间容积之间有优越的密封性能，因为这些齿间容积是实现气体膨胀的工作腔。对螺杆膨胀机性能有重大影响的转子型线要素有接触线、泄漏三角形、封闭容积和齿间面积等。（1）接触线。