斜齒羅茨風機仿真

2017-03-31  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

1.背景描述

三葉羅茨風機是我國引進開發的一種新型羅茨風機,屬于容積式風機。該風機運行穩定,特別是大流量三葉羅茨風機,容積效率高、機械功率損失小,已經成為企業的關鍵設備。例如國內的二級生物污水處理廠曝氣工藝使用羅茨風機送氣,氯堿化工企業氫氣處理工序使用大容量三葉羅茨風機輸送氫氣等,除此之外也可用作真空泵。

羅茨鼓風機葉輪輪齒一般與軸線平行,即直齒狀,這樣加工、檢測較為方便,但隨著加工技術的發展,設計成扭曲葉輪變為現實,即斜齒狀。斜齒羅茨風機可以增加嚙合線長度,增加工作平穩性、減少輸氣脈動、噪聲低,而且工作時具有內壓縮過程,與直葉羅茨風機相比,效率高、能耗低,是傳統羅茨風機的替代品。

圖1 斜齒羅茨風機幾何模型圖

2.技術難點

隨著計算機技術的發展,利用CFD仿真技術對產品進行仿真分析,獲得內部流場信息,從而了解和改進產品,已成為產品開發的重要手段。

斜齒羅茨風機由一對斜齒相互嚙合,通過旋轉改變齒輪腔室容積,以到達輸氣的目的。斜齒羅茨風機仿真的主要技術難點就在一對相互嚙合的齒輪上,嚙合齒輪具有空間扭曲,間隙小等特點,在工作過程中,空間扭曲形狀和間隙會隨著齒輪旋轉角度發生變化。因此,為了滿足仿真的準確性,如何在扭曲空間和微小間隙劃分結構網格、以及控制網格運動成為了斜齒羅茨風機仿真的主要困難。

針對斜齒羅茨風機的仿真難點,本文采用SCORG+PumpLinx技術方案。其中SCORG是專門針對螺桿、斜齒機械而開發的網格劃分軟件,由英國倫敦城市大學開發,并交由PDManalysis公司商業化。而PumpLinx專門轉對旋轉機械而開發的仿真軟件,在齒輪泵、螺桿壓縮機、柱塞泵等領域具有獨到優勢,得到廣泛應用。

3.案例介紹

將圖1所示的斜齒羅茨風機進行分區,并對各部分進行網格劃分,其中斜齒旋轉區域通過SCORG軟件劃分結構化網格,進出口區域在PumpLinx軟件中采用通用網格劃分生成笛卡爾網格,各部分網格劃分情況如下圖所示。

模型網格劃分

局部網格剖面圖

計算采用雙螺桿機械模板,添加湍流模型,并選擇瞬態計算的方法。其中進口和出口給定壓力和溫度邊界,并指定轉速。仿真工況表如下圖所示。

通過仿真可以獲得斜齒羅茨風機風量和出口溫度,與試驗對比情況如下表2所示。從表中可以看出,仿真結果與試驗結果較為吻合,其中流量誤差在5%以內,溫度誤差在4%以內。

圖3 斜齒羅茨風機壓力分布圖

圖4 斜齒羅茨風機溫度分布圖

4.總結

本案例對斜齒羅茨風機進行了仿真分析,通過SCORG+PumpLinx的技術方案,解決了斜齒風機網格劃分和網格控制的技術難點。通過仿真可以獲得羅茨風機風量、出口溫度,功率以及流場壓力和溫度分布,通過與試驗對比可知,仿真結果與試驗值匹配度較高。該案例采用SCORG+PumpLinx聯合的技術方案,通過SCORG生成斜齒或螺桿機械的轉子結構網格,并輸出至PumpLinx進行CFD求解,最終獲得了理想的結果。

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