基于Ansys雙螺桿膨脹機(jī)動(dòng)態(tài)特性有限元仿真

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)大隊(duì)，山東 煙臺(tái) 264000)

0 引言

螺桿膨脹機(jī)是依靠氣體體積膨脹，驅(qū)動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種熱機(jī)，是現(xiàn)代長(zhǎng)足發(fā)展的一種新興動(dòng)力機(jī)械，廣泛應(yīng)用于煤礦及工業(yè)余熱回收、地?zé)岚l(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等領(lǐng)域。雙螺桿作為雙螺桿螺桿膨脹機(jī)中的重要傳動(dòng)系統(tǒng)，其性能的好壞直接決定設(shè)備性能的優(yōu)劣，因此對(duì)螺桿螺桿膨脹機(jī)中的雙螺桿動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究和分析顯得尤為必要。

為了獲得性能優(yōu)良的螺桿傳動(dòng)設(shè)備，同時(shí)了解螺桿相關(guān)產(chǎn)品和設(shè)備在工業(yè)、航天、汽車及煤礦等產(chǎn)業(yè)中的相關(guān)應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)螺桿在煤礦機(jī)械中的應(yīng)用及其它行業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)研究。其中，王兆強(qiáng)等[1]以某型高速高壓三螺桿泵為研究對(duì)象，對(duì)其流場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)值仿真分析；黃力偉等[2]對(duì)煤礦在用螺桿式空壓機(jī)安全檢測(cè)檢驗(yàn)的幾個(gè)問題進(jìn)行相關(guān)研究；徐保龍等[3]以煤礦用帶扶正器螺桿鉆具為研究對(duì)象，運(yùn)用試驗(yàn)的方法對(duì)其造斜規(guī)律進(jìn)行研究；陳虹微等[4]以煤礦螺桿空壓機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其振動(dòng)進(jìn)行分析，并對(duì)其振動(dòng)和噪聲進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)；蓋立武等[5]對(duì)大導(dǎo)程螺桿數(shù)控車削加工的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究；劉兆紅等[6]對(duì)硬鋁空心錐形凸緣螺絲成形工藝及其相關(guān)模具進(jìn)行研究和分析；宋志軍等[7]以SJ58D擠出機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其變速系統(tǒng)花鍵齒輪軸套零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)其相關(guān)工藝進(jìn)行研究；石兆東等[8]基于CFD對(duì)非嚙合并列型雙螺桿擠出機(jī)的三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了其內(nèi)部流體場(chǎng)分布及特性。上述眾多學(xué)者對(duì)螺桿設(shè)備在煤礦及螺桿在煤礦機(jī)械中的應(yīng)用，擠壓成型和相關(guān)設(shè)備進(jìn)行了較為深入的研究和分析，取得了一定的研究成果，為煤礦機(jī)械設(shè)備性能改善和提高、螺桿在煤礦機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用等方面提供重要的借鑒。但是對(duì)雙螺桿膨脹機(jī)的研究相對(duì)較少，基于此，本研究以雙螺桿膨脹機(jī)為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元仿真軟件Ansys對(duì)其雙螺桿傳動(dòng)部分動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行有限元仿真分析，為雙螺桿膨脹機(jī)綜合性能的提升等方面提供理論依據(jù)。

1 雙螺桿膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)煤礦瓦斯發(fā)電系統(tǒng)

煤礦瓦斯作為煤礦中的有害氣體，但其加以好好利用又是清潔能源氣體，因此對(duì)其的研究得到國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的青睞。本研究為雙螺桿膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)煤礦瓦斯發(fā)電系統(tǒng)。

雙螺桿膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)煤礦瓦斯發(fā)電系統(tǒng)主要由煤礦瓦斯、燃燒蒸汽機(jī)、雙螺桿膨脹機(jī)、異步發(fā)電機(jī)、電能適配器、電網(wǎng)等組成。煤礦瓦斯在燃燒蒸汽機(jī)中燃燒產(chǎn)生蒸汽，蒸汽推動(dòng)雙螺桿膨脹機(jī)作用，膨脹機(jī)帶動(dòng)異步發(fā)電機(jī)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行發(fā)電，發(fā)出的電能在電能適配器的作用下并入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)發(fā)電過(guò)程。雙螺桿膨脹機(jī)將眾多廢棄能量機(jī)氣體進(jìn)行回收而產(chǎn)生新型清潔能源電能，因此其未來(lái)在各行各業(yè)中的應(yīng)用前景非常好，雙螺桿作為雙螺桿膨脹機(jī)的最主要系統(tǒng)，其性能的好壞直接決定設(shè)備的優(yōu)劣，因此對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究顯得尤為必要。

2 雙螺桿膨脹機(jī)有限元建模

膨脹機(jī)在各行各業(yè)中應(yīng)用廣泛，本文以煤礦瓦斯發(fā)電系統(tǒng)中的雙螺桿膨脹機(jī)為研究對(duì)象，運(yùn)用三維建模軟件solidworks建立雙螺桿膨脹機(jī)三維模型如圖1所示。

1.進(jìn)氣口 2.雙螺桿 3.出氣口

由圖1可知，本研究的雙螺桿膨脹機(jī)主要由進(jìn)料斗、雙螺桿及出料口等組成，煤礦瓦斯燃燒后產(chǎn)生的高壓蒸汽通過(guò)進(jìn)氣口進(jìn)入驅(qū)動(dòng)雙螺桿，運(yùn)用雙螺桿帶動(dòng)傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)熱能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換，高壓蒸汽降壓降溫后通過(guò)出氣口排出。

根據(jù)上文建立的三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys，建立雙螺桿膨脹機(jī)有限元仿真模型，雙螺桿膨脹機(jī)有限元仿真模型中有234 568個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 845 743個(gè)單元。本研究雙螺桿膨脹機(jī)，轉(zhuǎn)速達(dá)5 000 rpm，膨脹機(jī)的體積比為2.5，軸長(zhǎng)為50 mm，陽(yáng)轉(zhuǎn)子每周位移容積為285 cm3。螺桿材料為40 Cr，密度為7 900 kg/m3、彈性模量為208 GPa、泊松比為0.3、抗拉強(qiáng)度≥980 MPa、屈服強(qiáng)度≥785 MPa。設(shè)置仿真參數(shù)為轉(zhuǎn)速5 000 rpm，螺旋角分別為40°、80°、120°，蒸汽進(jìn)氣、出氣壓力分別為4 bar、1 bar，蒸汽進(jìn)氣、出氣溫度分別為100 ℃、48 ℃的仿真條件。根據(jù)上文建立的有限元仿真模型，加載上文設(shè)置的參數(shù)及仿真條件，仿真計(jì)算結(jié)果如下文所示。

3 有限元仿真結(jié)果與分析

煤礦瓦斯在燃燒蒸汽機(jī)中燃燒產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽對(duì)雙螺桿膨脹機(jī)進(jìn)行作用，膨脹機(jī)在高壓高溫蒸汽作用下，產(chǎn)生巨大的推力，推動(dòng)膨脹機(jī)內(nèi)部的雙螺桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)高壓高溫蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。根據(jù)上文建立的雙螺桿膨脹機(jī)有限元仿真模型，加載上文設(shè)置的工藝參數(shù)條件，仿真計(jì)算得到膨脹機(jī)雙螺桿在實(shí)際工況下的總變形如圖2所示。

由圖2可知，雙螺桿膨脹機(jī)中的雙螺桿在實(shí)際工況下，雙螺桿最大變形為0.026 4 mm，總變形較小，最大值主要分布在雙螺桿尖角處；從螺桿螺旋進(jìn)口至后端螺桿部分逐漸減小，且雙螺桿接觸部位的變形較大。

圖2 膨脹機(jī)雙螺桿在實(shí)際工況下的總變形

為了了解不同螺旋角對(duì)雙螺桿膨脹機(jī)中雙螺桿絕對(duì)壓力的影響。仿真計(jì)算得到不同螺旋角下雙螺桿絕對(duì)壓力分布如圖3所示。

圖3 不同螺旋角下雙螺桿絕對(duì)壓力分布

由圖3可知，在雙螺桿膨脹機(jī)實(shí)際工作過(guò)程中，隨著雙螺桿螺旋角增加，膨脹機(jī)中雙螺桿絕對(duì)壓力值大小基本不變，但其分布位置及區(qū)域不同；螺旋角在80°時(shí)分布區(qū)域最小。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因?yàn)榕蛎洐C(jī)雙螺桿螺旋角不同，葉片分布及角度不同，在同樣蒸汽壓力和溫度作用下，螺桿受力大小和位置也不同。

為了了解高壓高溫氣體在雙螺桿膨脹機(jī)內(nèi)部流動(dòng)情況，仿真計(jì)算得到螺旋角80°時(shí)蒸汽流體場(chǎng)分布，煤礦瓦斯在燃燒蒸汽機(jī)中燃燒產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽通過(guò)雙螺桿膨脹機(jī)進(jìn)氣口進(jìn)入，對(duì)膨脹機(jī)內(nèi)部的雙螺桿作用，從出氣口出來(lái)整體流動(dòng)，流動(dòng)氣體推動(dòng)膨脹機(jī)內(nèi)部的雙螺桿作用，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換；蒸汽流速在雙螺桿內(nèi)部形成螺旋氣流場(chǎng)，最大流動(dòng)速度為50m/s，主要分布在螺桿四周。

綜上雙螺桿膨脹機(jī)動(dòng)態(tài)特性有限元仿真分析可知，煤礦瓦斯在燃燒蒸汽機(jī)中燃燒產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽通過(guò)雙螺桿膨脹機(jī)進(jìn)氣口進(jìn)入，從出氣口出來(lái)整體流動(dòng)；膨脹機(jī)在高壓高溫蒸汽作用下，產(chǎn)生巨大的推力，推動(dòng)膨脹機(jī)內(nèi)部的雙螺桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高壓高溫蒸汽熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；隨著雙螺桿螺旋角增加，膨脹機(jī)中雙螺桿絕對(duì)壓力值大小基本不變，但其分布位置及區(qū)域不同；螺旋角在80°時(shí)分布區(qū)域最??；蒸汽流速在雙螺桿內(nèi)部形成螺旋氣流場(chǎng)，最大流動(dòng)速度為50m/s，其主要分布在螺桿四周。

4 結(jié)語(yǔ)

雙螺桿膨脹機(jī)可以將各行各業(yè)的工藝廢棄、過(guò)剩的能力聚集轉(zhuǎn)換為人類可用的清潔能源，其在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。運(yùn)用有限元仿真分析軟件Ansys建立膨脹機(jī)雙螺桿動(dòng)態(tài)特性有限元仿真模型，分析了其在實(shí)際工況下的變形、不同螺旋角下的絕對(duì)壓力及流體場(chǎng)分布，為膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)及性能提升等方面的研究和分析提供重要的借鑒。