錐齒傳動(dòng)結(jié)構(gòu)入口導(dǎo)葉扭矩計(jì)算方法研究

邵柯楠

摘要：通過分析錐齒傳動(dòng)入口導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)在運(yùn)行情況下的各種受力狀態(tài)，尤其是對(duì)氣動(dòng)力引起的相關(guān)扭矩的分析，計(jì)算出相同結(jié)構(gòu)尺寸的入口導(dǎo)葉在不同工況、不同壓縮機(jī)入口來流條件下，其運(yùn)行所需要的扭矩不同。最終總結(jié)、歸納出一種錐齒傳動(dòng)入口導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)扭矩的計(jì)算方法。通過這樣一種方法可以有效降低現(xiàn)階段以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主的設(shè)計(jì)方法所導(dǎo)致的過大執(zhí)行器扭矩的問題，可以使壓縮機(jī)工程設(shè)計(jì)人員能夠快速計(jì)算出錐齒傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需扭矩，具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：離心式壓縮機(jī);入口導(dǎo)葉調(diào)節(jié);扭矩計(jì)算

0 ?引言

隨著中國工業(yè)的進(jìn)步，離心式壓縮機(jī)的發(fā)展正朝著高效率、寬范圍、小型化及低成本的方向發(fā)展。這就對(duì)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)工作提出了更多、更高的要求。目前針對(duì)離心式壓縮機(jī)的調(diào)節(jié)方式多為變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、入口節(jié)流調(diào)節(jié)以及入口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)等方式。入口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)因其具有較寬的調(diào)節(jié)范圍，良好的經(jīng)濟(jì)性和顯著的節(jié)能效果，成為一種使用廣泛的離心壓縮機(jī)調(diào)節(jié)方式。錐齒傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的入口導(dǎo)葉具有運(yùn)行更加穩(wěn)定，角行程傳遞更加精確等優(yōu)點(diǎn)，是目前大多數(shù)入口導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較常用的形式。入口導(dǎo)葉需要執(zhí)行器來驅(qū)動(dòng)，其執(zhí)行器扭矩的選擇主要來源于設(shè)計(jì)者以往的個(gè)人設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，容易導(dǎo)致執(zhí)行器扭矩過大。所以本文針對(duì)錐齒傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的入口導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)，分析主要的機(jī)構(gòu)受力，在充分考慮安全系數(shù)的同時(shí)，計(jì)算出該結(jié)構(gòu)形式的入口導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)所需的執(zhí)行器扭矩。

1 ?入口導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)

1.1 入口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)方法

入口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)是一種改變?nèi)~輪前入口導(dǎo)葉的角度，使氣流產(chǎn)生預(yù)旋的調(diào)節(jié)方法。使進(jìn)入葉輪的氣流與葉輪旋轉(zhuǎn)方向一致的旋繞（C1u>0），稱為“正旋繞”;產(chǎn)生與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反的旋繞（C1u<0），稱為“負(fù)旋繞”。

θ為旋繞角，通過對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)口氣流的速度三角形的研究，根據(jù)歐拉方程知風(fēng)機(jī)的能量頭hth將隨C1u的改變而變化。正旋繞時(shí)C1u>0，hth將減小;負(fù)旋繞時(shí)C1u<0，hth增大[1]。

1.2 ?錐齒傳動(dòng)入口導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)

錐齒傳動(dòng)的入口導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)是采用主傳動(dòng)軸上的錐齒輪，將扭矩傳遞給錐齒圈，而后由錐齒圈驅(qū)動(dòng)其它錐齒輪，從而帶動(dòng)整個(gè)入口導(dǎo)葉的聯(lián)動(dòng)。本文所采用的錐齒傳動(dòng)入口導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)如圖2所示。

從機(jī)械機(jī)構(gòu)上來說，整個(gè)傳動(dòng)過程是簡單的。但入口導(dǎo)葉除自身傳動(dòng)時(shí)需要克服的各種摩擦力和重力產(chǎn)生的扭矩外，還需要在克服導(dǎo)葉葉片受氣流作用力所產(chǎn)生的扭矩。因?yàn)閴嚎s機(jī)入口來流條件是不確定的，相同的入口導(dǎo)葉直徑，可能存在很多不同的入口來流條件，所以其葉片所受的氣動(dòng)力扭矩也是不同的。所以相同結(jié)構(gòu)的入口導(dǎo)葉，根據(jù)壓縮機(jī)入口來流條件的不同，驅(qū)動(dòng)其運(yùn)轉(zhuǎn)的執(zhí)行器扭矩也是不同的。

2 ?錐齒傳動(dòng)入口導(dǎo)葉扭矩分析

2.1 導(dǎo)葉葉片前后壓差所引起的扭矩

對(duì)入口導(dǎo)葉葉片的前后流場(chǎng)進(jìn)行分析。導(dǎo)葉葉片從全關(guān)到全開，所引起的葉片前后壓差呈遞減狀態(tài)，所以我們以最大壓差全關(guān)作為研究對(duì)象（需要指出，入口導(dǎo)葉因其葉片設(shè)計(jì)為互有重疊，所以這里的全關(guān)是指70°～80°左右的微開狀態(tài)）。而導(dǎo)葉調(diào)節(jié)與閥門調(diào)節(jié)最大的區(qū)別在于，入口導(dǎo)葉是為了改變氣流進(jìn)入壓縮機(jī)葉輪前的角度。

從圖3中可以很明顯的看出入口均勻來流，經(jīng)過微開的入口導(dǎo)葉后，氣流有一個(gè)非常明顯的旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)葉在微開狀態(tài)下因通流面積的減小導(dǎo)致氣體流速升高。從而使葉片后的靜壓有所下降，但下降程度并不高。所以為保證一定的安全系數(shù)，我們?cè)谟?jì)算葉片前后壓差時(shí)，對(duì)葉片前按總壓計(jì)算，而葉片后按靜壓計(jì)算。同時(shí)也可以看到因葉片的“魚頭”“魚尾”設(shè)計(jì)，氣流大部分都從“魚尾”處流過。所以計(jì)算扭矩時(shí)，我們可以按全葉片寬度作為旋轉(zhuǎn)半徑。（圖4）

綜上所述，葉片前后壓差導(dǎo)致的葉片扭矩可用公式表示為：

其中：S為葉片一側(cè)的表面積;

L為全葉片寬度;

n為葉片數(shù)量。

2.2 氣流對(duì)導(dǎo)葉葉片的沖擊力所引起的扭矩

運(yùn)行中的壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉，時(shí)刻處于氣體流動(dòng)之中。而氣流的動(dòng)能是造成葉片承受表面壓強(qiáng)的主要原因。

從圖5中可以看出，氣流所攜帶的動(dòng)能主要作用于葉片迎風(fēng)表面（壓力面），而葉片背部（速度面）僅受氣體粘度導(dǎo)致其表面存在一定的、可忽略不計(jì)的氣動(dòng)摩擦力。質(zhì)量為m的空氣如果速度為v，根據(jù)動(dòng)能公式，它具有的動(dòng)能就是質(zhì)量乘速度的平方的1/2，即動(dòng)能=（1/2）mv2。所以單位體積的空氣具有的能量是（1/2）ρv2。同導(dǎo)葉葉片前后壓差所引起的扭矩計(jì)算原理相同，以全葉片寬度作為旋轉(zhuǎn)半徑，最終將氣流對(duì)導(dǎo)葉葉片的沖擊力所引起的扭矩表示為：

其中：ρ為葉片器介質(zhì)密度;

v為介質(zhì)流速。

通過該項(xiàng)參數(shù)可以反映出相同口徑入口導(dǎo)葉裝置在不同工況和不同介質(zhì)中對(duì)扭矩的需求。例如相同入口口徑的空壓機(jī)和增壓機(jī)，氣流對(duì)導(dǎo)葉葉片的沖擊力所引起的扭矩將有很大的區(qū)別。

2.3 摩擦力所引起的扭矩

導(dǎo)葉執(zhí)行器的扭矩大部分用來克服導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中所產(chǎn)生的摩擦力。這里的摩擦力大體分為葉片與干摩擦軸承產(chǎn)生的摩擦力、錐齒輪與導(dǎo)葉殼產(chǎn)生的摩擦力、錐齒圈與非金屬齒輪襯產(chǎn)生的摩擦力三種。

2.3.1 葉片與干摩擦軸承產(chǎn)生的摩擦力

目前大多數(shù)導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)中采用的是非金屬復(fù)合材料的干摩擦軸承與導(dǎo)葉軸進(jìn)行配合。

分析出此處摩擦力為葉片自身重力、前后壓差力、氣體動(dòng)能作用力共同產(chǎn)生的摩擦力。需要指出的是，所有葉片因在導(dǎo)葉殼中的角度不同，以上三種作用力大小不一，這里以全部三種力共同作用參與計(jì)算。

2.3.2 錐齒、錐齒圈產(chǎn)生的摩擦力

錐齒輪與錐齒圈產(chǎn)生的摩擦力完全有自身重力所引起，區(qū)別在于錐齒輪的數(shù)量與葉片相同，而錐齒圈僅有一個(gè)以上幾種摩擦力的作用半徑與各結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸相關(guān)，這里不做過多說明。

2.4 總扭矩與傳動(dòng)桿最小軸徑

以上扭矩之和再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取一定的安全系數(shù)為錐齒傳動(dòng)的導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)扭矩：T∑。

3 ?總結(jié)

通過對(duì)錐齒傳動(dòng)入口導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)的受力分析，考慮氣動(dòng)力對(duì)導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)的影響，計(jì)算其所受的氣動(dòng)力及摩擦力所產(chǎn)生的扭矩?？偨Y(jié)出一套可以使壓縮機(jī)工程設(shè)計(jì)人員能夠快速計(jì)算出錐齒傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需扭矩的方法?？梢杂?jì)算出同一口徑的入口導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在不同的工況及氣動(dòng)條件下的執(zhí)行器扭矩。避免導(dǎo)葉執(zhí)行器扭矩選取不當(dāng)而產(chǎn)生的一系列事故或成本升高問題。

參考文獻(xiàn)：

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