双螺杆泵流场动力特性的数值模拟

双螺杆泵流场动力特性的数值模拟唐 倩1 张元勋1 高 瞻21.重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆,4000442.重庆中冶赛迪工程技术股份有限公司,重庆,400013摘要:提出一种新型高效、密封性能更优越的渐开线修形双螺杆泵,并基于有限容积方法与摆线型双螺杆泵进行对比,建立两种泵的数值仿真模型,分析其压力场、速度场等的基本规律及特性曲线,得出了双螺杆泵流道的容积效率。

研究表明:流道压力随密封腔逐级增大,且同级压力由于泄漏作用呈减小趋势;流道螺槽内存在涡流现象,啮合区混合强烈,在转子与泵套壁面接触区域及啮合区存在负轴向速度,为主要泄漏区域;渐开线修形双螺杆泵容积效率相对较高,密封性能更优越。

研究结果为螺杆泵开发以及性能预估提供了理论指导和依据。

关键词:双螺杆泵;渐开线;修形;流场;数值模拟;涡流中图分类号:T B126 文章编号:1004 132X(2010)12 1453 05Numerical Simulation of Flow Field Dynamics Characteristics for Twin -screw PumpTang Qian 1 Zhang Yuanxun 1 Gao Zhan 21.State Key Laboratory of M echanical Transm issions,Chongqing U niversity,Chongqing ,4000442.CISDI Engineering Co.Ltd.,Cho ng qing ,400013Abstract :A new kind of hig hly effectiv e,sealing super io rly and invo lute-m odified tw in-screw pump w as pro po sed,com pared w ith cycloid tw in-scr ew pump and based on limited volume m ethod,the numerical simulation m odels of tw o kinds o f pumps w ere established.By analy zing their pressure fields,velocity fields and so o n basic r ules,the tw in -screw pumps flo w channels v olumetr ic efficiency w ere obtained.T he research indicates that the flow channel pressur e prog ressiv ely increases along w ith the sealed chamber,the peer pr essure is in the tendency of reduction as a result of leakag e;the eddy flow phenom enon ex ists in the flow channel spir al flute,the m eshing area is mixed intensely,the negativ e axial velocity ex ists in the co ntact area of r otor and pum p cover s w all surface and the meshing area w hich are the main leakag e areas.Invo lute -modified tw in -screw pump v olumetr ic efficiency is relatively hig h,w ith superio r sealing per for mance.The research finding s w ill prov ide the theory basis fo r the later screw pump s dev elo pment desig n.Key words :tw in-screw pum p;inv olute;m odify;flow field;numerical simulatio n;eddy flo w收稿日期:2009 10 09基金项目:国家自然科学基金资助项目(50875268);教育部科学技术研究重点项目(108107)0 引言双螺杆泵以其节能环保、平稳可靠等优点,广泛应用于石油、环保等支柱产业。

目前所有对螺杆泵螺杆传动系统的研究均是围绕螺杆转子型线的修正和转子力学性能展开的,而对于螺杆内部流场的流道特性、系统的动态特性等关键技术的研究还未见报道。

泵内流体的流动状态具有复杂、非定常、不可压缩、黏性等特性,直接影响螺杆泵的性能,由于双螺杆泵几何结构及流动特性复杂,很难采用数学解析求解,因而如采用试验方法来验证几何设计的合理性,会耗费大量的人力和资金[1 7]。

本文以自主设计的渐开线修形双螺杆泵为研究对象,基于有限容积法,对螺杆泵内部流场的速度、压力进行流体动力学分析,得出双螺杆泵内部流场主要特征和分布规律,进而研究其结构改进及性能改善的方法,为双螺杆泵的设计提供理论依据。

1 双螺杆泵结构设计及仿真模型1.1 螺杆的结构设计由双螺杆泵工作原理知,相互啮合的两根螺杆的啮合线将螺旋槽分割成互不相通的腔体,其齿廓曲线一般采用外长摆线;而仅有外长摆线时,齿顶处的夹角小于90o ,齿顶处的螺旋线与主螺杆的螺旋面相啮合,主要起密封作用,因此齿顶的锐角在主螺杆、从螺杆相互啮合传递力矩时必然会很快磨损,从而破坏螺杆泵的密封性[8 9]。

为了增强从螺杆齿顶的耐磨能力,本文应用渐开线对螺杆的齿廓曲线进行修正,根据包络的定义推导!1453!双螺杆泵流场动力特性的数值模拟 唐 倩 张元勋 高 瞻出主螺杆的修正曲线(以下简称渐开线修形)。

图1中,∀为主螺杆修形前后对比图,#为从螺杆修形前后对比图。

从图中可以看出,修形后从螺杆齿顶与主杆相啮合的点转化为渐开线段,使得齿廓间的啮合由点-线啮合转化为线-线啮合,从而形成连续的啮合线,增强了密封性,提高了泵的容积效率。

图1 螺杆端面齿形曲线示意图1.2 三维实体及网格模型根据所设计的螺杆几何参数(表1)以及修形后的端面齿廓,采用Pro/ENGINEER 三维造型软件建立了双螺杆泵三维流道几何模型,将其导入网格划分软件ANSA 以对整个流道进行四面体网格划分,其中摆线型双螺杆泵(图2)网格总数755390,节点总数154842,单元网格最小体积3 1276∃10-12mm 3,最大体积3 352893∃10-12mm 3;渐开线修形双螺杆泵(图3)网格总数830659,节点总数173921,单元网格最小体积1 0312∃10-12mm 3,最大体积2 7784∃10-8mm 3。

表1 主从螺杆几何参数外径(m m)导程(mm )长度(mm)头数主螺杆1681682002从螺杆1262522003图2 摆线型双螺杆泵流道网格图图3 渐开线修形双螺杆泵流道网格模型2 双螺杆泵湍流模型2.1 湍流模型双螺杆泵流场流动为复杂的湍流问题,采用基于Rey no lds 时均方程的模拟方法来建立湍流模型。

双螺杆泵的湍流是指由于压差、各流速层之间的流速差以及工作容积、空间形状随螺杆的运转而改变等因素造成的液体在各方向和流速上的紊乱流动。

本文针对双螺杆泵流道液体流动问题,采用标准k - 双方程模型进行分析。

2.2 边界条件为拟定流场,考虑到流体的输送具体条件及流场特性,作以下假设:%流体为不可压缩、牛顿流体;&流场为稳定、等温流场;∋惯性力、重力等体积力远小于黏滞力,可忽略不计;(流体在流道中完全充满。

在双螺杆泵流道流场模拟计算过程中,主要涉及的边界分别为:入口端面,出口端面,左右螺杆外表面,机筒内表面。

泵流场内部液体为润滑油液CD40。

入口压力50kPa,出口压力0 8MPa 。

在确定双螺杆泵流道流动边界时,一个主要难点是:当螺杆转动时,流动边界是随时间变化的。

这种随时间变化的流动边界问题一般是通过用一系列不同相位的瞬时流场模型代表一个完整时间周期的模型来解决的[10 12]。

在螺杆旋转一周的时间里,按等时间间隔均匀取出不同瞬时的流场模型来代表整个流场模型。

考虑螺杆的对称性,流道在螺杆旋转时的前180)模型边界同后180)的模型边界是一一对应的,因此,间隔30)取出其中的6个瞬时模型即可代表整个随时间变化的流动边界。

初始相位角 定义为螺杆流道前端面上主螺杆中心线与X 轴的夹角,为了考察初始相位角对流场特性的影响,即对流量、回流量及加权剪切应力的影响,本文选取了渐开线修形双螺杆泵流道的6个不同初始相位角时的流场模型。

对上述不同初始相位角下的6个流场模型分!1454!图4 与流量关系别进行计算,得到初始相位角 与流量、回流量及加权剪切应力的影响,结果如图4~图6所示。

由图4~图6可以看出,随着双螺杆泵流道初始相位角的变化,流量、回流量的变化很小,而剪切应力则没有变化,说明初始相位角对流场的影响不大,因此,采用某一瞬时的流场模型来代表按时间周期变化的双螺杆泵流场的方法是可行的。

本文采用0)初始相位角的流场模型来进行计算。

图5 与回流量关系图6 与加权剪切应力关系3 双螺杆泵数值仿真分析采用流体专用分析软件Fluent 对螺杆泵内部流场进行仿真分析。

压力速度耦合采用SIM PLIC 算法,并监测进出口流量变化,当进出口流量变化趋向稳定时说明计算结果收敛。

对整个内部流动区域取合适的截面,以获得需要的计算结果并进行详细分析。

图7、图8是双螺杆泵流道对称面压力分布云图,可以看出,对称截面流道内存在四级压力梯度,且压力从入口的低压逐级增大,到出口处达到0 8M Pa 左右,主从螺杆啮合区高低压交替变化。

图7 摆线双螺杆泵流道对称面压力图为了更清晰地分析流道内压力p 沿轴向的分布情况,分别取渐开线修形双螺杆泵主螺杆A 1、A 2点(图9),从螺杆B 1、B 2、B 3点(图9)的压力值沿螺旋流线方向展开,得到其压力随轴向位置的变化图(图10、图11)。

由图7和图8可知,摆线双螺杆泵与渐开线图8 渐开线修形双螺杆泵流道对称面压力图图9 螺杆机筒关系图图10主螺杆压力趋势图图11 从螺杆压力趋势图修形双螺杆泵压力分布趋势相似。

由图10、图11可知,双螺杆泵在工作时,液体压力从低压腔到高压腔是阶梯变化的,压力是随着密封腔而逐级增大的,但同一级内由于泄漏的原因,在该级压力范围内沿轴向逐渐减小。