结构参数对单螺杆膨胀机性能影响的初步实验研究

格式：pdf
大小：841.34 KB
文档页数：8

下载文档原格式

单螺杆泵的结构设计与性能分析(全套图纸)

目录摘要 (III)Abstract (III)1 绪论 (1)1.1 研究背景及研究意义 (1)1.2 国内外研究综述 (1)1.2.1 国外螺杆泵的应用现状 (1)1.2.2 国内螺杆泵的应用现状 (2)1.4 本题的研究内容和方法 (3)2 单螺杆泵概述 (4)2.1 引言 (4)2.2 基本结构和工作原理 (5)2.3 性能参数 (8)2.4 应用特点 (10)2.5 单螺杆泵的特性 (11)2.6 单螺杆泵的选用 (11)3 单螺杆泵结构设计与性能计算 (13)3.1单螺杆泵结构设计 (13)3.1.1 螺杆和衬套尺寸的确定 (13)3.1.2 螺杆和衬套的型线设计 (14)3.2 单螺杆泵材料的选用 (18)3.3 单螺杆泵的加工制造 (20)3.3.1 螺杆的加工 (20)3.3.2 单螺杆泵橡胶定子的加工 (20)3.4 单螺杆泵的性能计算 (22)4 单螺杆泵应用实例设计 (24)5 单螺杆泵的性能分析与运动仿真 (27)5.1 单螺杆泵的性能分析 (27)5.2 单螺杆泵三维模型的建立 (27)6 结论与展望 (30)6.1 结论 (30)6.2 展望 (30)谢辞 (32)参考文献 (33)摘要随着工业技术的不断发展，各种液体的输送显得尤为重要，而作为液体传动工具的单螺杆泵亦显得举足轻重。

工业的发展对单螺杆泵提出了更高的要求，某些特定的行业用单螺杆泵的工作条件十分恶劣，研制和开发使用性能良好的单螺杆泵将带来广阔的社会效益和经济效益。

为更好的满足特定工作条件的需要，本论文详细阐述了单螺杆泵的工作原理和结构特点，并在传统的设计理论体系基础上，利用现有的设计手段和工具，根据给定的流量、压力来设计和选取合适的单螺杆泵结构参数，完成对单螺杆泵结构设计计算、主要性能计算和影响因素分析，在此基础上利用三维建模手段，建立有效的单螺杆泵三维模型，对所设计的单螺杆泵进行简单运动仿真，为其性能进一步改进提供了一定参考。

单螺杆膨胀机在有机朗肯循环系统中的性能研究

ＪＩＷｅｉｎｉｎｇＬＩＵＳｈａｎｗｅｉＷＡＮＧＪｉｎｇｆｕＧＵＯＨａｎｇ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌａｎｄＥｎｅｒｇｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｙ，ｇＢｅｉｊｉｎｇ１００１２４）
ｓｅｔｕｐｗｈｉｃｈｉｓｕｓｅｄｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｇａｓａｓｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｎｄａＲ１２３ａｓｗｏｒｋｉｎｇｌｆｕｉｄ．Ｂｙａｄｊｕｓｔｉｎｇｔｈｅｔｏｒｑｕｅａｎｄｂａｃｋｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆ
ｓｃａｌｅＯＲＣｓｙｓｔｅｍｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｐｅｆｏｒｒｍａｎｃｅｏｆｓｉｎｇｌｅ — ｓｃｒｅｗｅｘｐａｎｄｅｒｉｎａｎＯＲｅｓｙｓｔｅｍ，ａｎｅｘｐｅｉｒｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍｉｓ
ｓｉｎｇｌｅ — ｓｃｒｅｗｅｘｐｎｄａｅｒａｎｄｔｈｅｖａｐｏｒｄｒｙｎｅｓｓｏｆｗｏｒｋｉｎｇｌｕｆｉｄ，ｔｈｅｐｅｒｆｏｍａｒｎｃｅｏｆｓｉｎｇｌｅ — ｓｃｒｅｗｅｘｐａｎｄｅｒｈａｓｂｅｅｎｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｐｏｗｅｒｏｕｔｐｕｔｏｆｓｉｎｇｌｅ — ｓｃｒｅｗｅｘｐａｎｄｅｒｉｓ５．４６ｋＷ，ｎｄａｔｈｅｔｏｔａｌｅｉｃｆｉｅｎｃｙａｎｄｖｏｌｕｍｅｅｉｃｆｉｅｎｃｙａｒｅ４８．７％ａｎｄ８０％．ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｕｎｄｅｒｔｈｅｓａｒｆｌｅｈｅａｔｒｅｓｏｒｃｕｅ．ｔｈｅｅｘｐａｎｄｅｒｒａｔｉｏｏｆｓｉｎｇｌｅ — ｓｃｒｅｗｅｘｐａｎｄｅｒｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｉｈｔｔｈｅｉｒｓｉｎｇｓｏｆｔｏｒｑｕｅ

基于多元非线性回归的单螺杆膨胀机性能分析

基于多元非线性回归的单螺杆膨胀机性能分析
张立栋;王伟;吴玉庭
【期刊名称】《应用物理》
【年(卷),期】2022(12)10
【摘要】单螺杆膨胀机作为有机朗肯循环系统的动力输出设备,其性能起着至关重要的作用。

通过之前的研究发现,传统的物理学工具解决膨胀机内效率和膨胀比的变化规律这一问题较为困难,因此需要借助数学工具进行简化问题。

而回归分析方法是一种基于数据之间建立定量化关系的统计数据分析工具,适用于解决该问题。

本文利用SPSS软件,选择内容积比、膨胀机转速、进气压力以及容积效率为特征参数,通过调研大量的单螺杆膨胀机实验文献作为样本空间,对螺杆直径为117 mm 的单螺杆膨胀机进行了多元非线性回归分析,得到了膨胀机内效率和膨胀比随特征参数变化的回归模型,并对这一模型进行合理性验证。

验证结果表明,该模型计算准确度较高,误差较小,能够较好的反应单螺杆膨胀机内效率和膨胀比的变化规律。

【总页数】9页(P552-560)
【作者】张立栋;王伟;吴玉庭
【作者单位】北京工业大学环境与生命学部
【正文语种】中文
【中图分类】TQ3
【相关文献】
1.基于单螺杆膨胀机的内燃机余热回收技术研究
2.单螺杆膨胀机天然气调压发电系统性能分析
3.基于单螺杆膨胀机的分布式太阳能热电联供系统
4.基于单螺杆膨胀机的发动机排气余热回收系统
5.基于单螺杆膨胀机有机朗肯循环有无回热系统性能分析
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

变工况条件下单螺杆膨胀机膨胀比的实验研究

ε internal =
pin pout
(3)
式中， pin 为进气瞬间压力(即进气结束时基元容积内的压力)， pout 为排气瞬间压力(即膨胀结束时基元容积内的压力)，单位为 MPa。单螺杆膨胀机外膨胀比的关系式如下：
ε duct =
p1 p2
(4)
式中， p1 为进气管道压力、 p2 为排气管道压力，单位为 MPa。
收稿日期：2017年11月24日；录用日期：2017年12月7日；发布日期：2017年12月14日
摘
要
在中低温余热回收利用中，有机朗肯循环被认为是具有较大潜力的技术方向。膨胀机作为有机朗肯循环的输出动力设备起着至关重要的作用，而单螺杆膨胀机由于其独特的结构和工作特性使得其在节能和可再生能源利用领域具有较好的应用前景。除了膨胀机效率，膨胀比是膨胀机另一个重要的性能参数，其对有机朗肯循环系统的热效率影响很大。本文通过对本实验室设计的单螺杆膨胀机样机进行实验研究，分析了单螺杆膨胀机内、外膨胀比随工况的变化规律。实验结果发现，内膨胀比随着转速的增加逐渐增大，外膨胀比则逐渐下降。单螺杆膨胀机内、外膨胀比都随着进气压力的增加而增加。当进气压力区间为0.4~0.65 MPa时，外膨胀比变化范围为3.26~3.73，内膨胀比变化范围为4.8~8.0。可以发现，单螺杆膨胀机内膨胀比受工况的影响较大，外膨胀比受背压影响，但变化幅度较小。
2.2. 实验台简介
2.2.1. 单螺杆膨胀机的工艺流程实验台主要针对本实验室设计的单螺杆膨胀机样机进行性能测试，选用压缩空气作为测试工质。单螺杆膨胀机样机的性能测试实验平台的流程如图 1 所示。压缩机提供的高压空气进入单螺杆膨胀机内膨胀做功，做完功的气体经油气分离器引至室外排出。膨胀机输出的轴功通过扭矩仪测出，同时用涡流测功机为假负载消耗轴功。在膨胀机的进出口管路上布置有各种传感器，用于监测膨胀机进出口的压力、温度以及流量参数。

背压对单螺杆膨胀机内泄漏影响的数值分析与实验研究

背压对单螺杆膨胀机内泄漏影响的数值分析与实验研究1摘要：泄漏损失是影响单螺杆膨胀机性能的不可逆损失之一。

本文通过建立单螺杆膨胀机热力学工作过程和泄漏过程的数学模型，并结合实验研究，分析背压对单螺杆膨胀机内泄漏特性的影响。

结果表明：随着背压的增加，容积效率先增大后减小，当内外特性匹配时，容积效率达到最大值；考虑背压影响比未考虑背压影响的模拟结果更接近实验结果，平均欠膨胀度为0.107atm，容积效率平均下降14.76%；平均过膨胀度为0.113atm，容积效率平均下降9.05%。

关键词：单螺杆膨胀机；泄漏特性；数值模拟；实验研究；背压0前言随着我国经济持续快速发展，能源需求大幅度增加，能源环境问题日益严峻。

为了我国社会经济可持续发展，需大力发展各种节能、可再生能源技术。

在各种节能技术中，工业余能的回收利用是重要的技术领域。

其中，有机朗肯循环的低温工业余热回收发电技术的研究开发得到了广泛地重视。

单螺杆膨胀机作为一种新型的容积式膨胀机，采用单螺杆膨胀机的有机朗肯循环系统有望在低温热能发电领域获得应用，为节能环保贡献力量。

目前，王伟等[1]对单螺杆膨胀机进行了性能测试，得到膨胀机效率约为70%。

LU 等[2]对以压缩空气为工质的单螺杆膨胀机进行测试，其绝热效率达到65%以上。

ZIVIANI 等[3]对单螺杆膨胀机进行了理论分析计算和实验研究，测得转速在3000rpm时，绝热效率最大达到67%。

DESIDERI等[4]以Solkatherm为工质，对基于有机朗肯循环的单螺杆膨胀机进行了性能测试，测得膨胀机最大等熵效率为64.78％。

张业强等[5]以R123为工质，对基于有机朗肯循环的单螺杆膨胀机进行了性能测试，测得最大总效率和容积效率分别为46.8%和80%，且最大总效率随着背压的增加而降低。

然而，已经开展的单螺杆膨胀机的相关性能研究，一方面，绝大多数从系统设计方面对单螺杆膨胀机的应用进行优化，无法获知膨胀机内部工作过程，不能直接反映泄漏对膨胀机性能的影响；另一方面，由于膨胀机内部特性与系统的外部特性不匹配导致排气压力与背压腔的压力并不一定相等，进而使得内膨胀比和外膨胀比不相等，会产生附加的能量损失，以往的研究几乎没有分析背压对单螺杆膨胀机泄漏特性的影响。

机械结构的热膨胀性能研究与应用

机械结构的热膨胀性能研究与应用引言：机械结构的热膨胀性能在工程领域中扮演着重要的角色。

热膨胀是指物体在受热作用下发生的体积和尺寸的变化。

而机械结构的热膨胀性能研究与应用，则是对于材料的膨胀行为进行深入探索，以实现更加精确和可靠的工程设计。

本文将从材料的热膨胀性能的定义与原理出发，探讨其研究方法和应用领域，并归纳总结其优势与挑战。

材料的热膨胀性能的定义与原理：热膨胀性能是指物质在温度发生变化时，密度、长度、体积等物理性质发生变化的程度。

这种变化主要是由于物质微观结构的热振动引起的。

当物质受热时，其内部分子或原子的热振动加剧，导致物质的密度增加，从而引起体积和尺寸的变化。

热膨胀性能是确定材料应用范围和工程设计的重要参数。

研究方法：研究机械结构的热膨胀性能常常需要使用精准的测量设备和先进的实验技术。

常见的研究方法包括热膨胀系数的测量、热膨胀行为的数值求解以及材料的模拟仿真。

热膨胀系数的测量是评价材料热膨胀性能的常用实验手段。

通过测量物体在不同温度下的尺寸变化，可以计算出其热膨胀系数。

常用的测量装置包括热膨胀仪、热膨胀试样和光学测量装置等。

这些设备能够提高测量的准确性和重复性，对研究热膨胀性能具有不可或缺的作用。

数值求解方法是研究热膨胀行为的有效手段之一。

通过建立热膨胀方程和边界条件，可以求解出材料在不同温度下的膨胀行为。

有限元方法是常用的数值求解方法之一，它能够模拟复杂结构的热膨胀行为，并提供工程设计中需要的参数和结果。

模拟仿真方法能够更加全面地理解材料的热膨胀性能。

通过建立材料的微观结构模型和热力学模型，可以预测材料在不同温度下的热膨胀行为。

这种方法可以模拟不同尺寸和形状的材料，也能够模拟多相材料和复合材料的热膨胀性能。

应用领域：机械结构的热膨胀性能在众多领域中具有广泛的应用。

下面列举几个典型的应用领域来说明其重要性。

首先，材料的热膨胀性能在工程设计中起着关键作用。

例如，在高温条件下工作的发动机和航空发动机需要耐高温材料，这些材料的热膨胀性能必须与其他部件相匹配，以确保系统的正常运行。

单螺杆膨化机中螺杆与机筒的设计研究

价值和消化率，对草食家畜的生长和增重、提高经济效益
均有良好作用。秸秆挤压膨化原理：秸秆在挤压腔内通过螺杆、螺套壁及秸秆之间挤压、擦、切，生１０以摩剪产１℃
生产出各种所需的食品。螺带与料斗机壳的间隙由搅拌
作者简介：郑贤（９５一）男，１６，安徽长丰人，工程师。
考虑到随Ｄ值增加，增加，Ｄ值较大，把所Ｋ值现需
收稿日期：０９—１９２０２—０
ｌＯ６卷５期
郑
贤
单螺杆膨化机中螺杆与机筒的设计研究
１５６
图１单螺杆膨化结构传动系统图
２１２驱动功率的确定由于挤出机螺杆驱动功率的影．．
６一螺拴
１一承箱轴
２一螺杆
３一机筒
４一加料螺旋
５一料斗
响因素很多，难找出函数关系，用经验公式进行驱动很现功率的估算。
秸杆的消化率和采食量明显提高。秸秆经过膨化过程高
温、高压处理，杀死了多种细菌，预防消化道疾病。膨化可机按螺杆的结构分为单螺杆和双螺杆，文着重介绍单螺本杆膨化机中螺杆与机筒的设计过程。
图２
螺杆与机筒基本结构示慝图
轴通过弹簧上的手轮控制调节。
２螺杆与机筒设计
２１螺杆直径和驱动功率Ｐ．２１１Ｄ．．的确定图２为螺杆与机筒基本结构示意图。

膨胀介质湿度对单螺杆膨胀机性能影响的实验研究

容积效率高等特点。特别是适合全流膨胀，允许水蒸气进入膨胀机。本文以压缩空气添加水蒸气为为膨胀机介质，对膨胀介质湿度下单螺杆膨胀机性能的影响进行了详细的实验研究。研究结果表明：在膨胀介质中适当的湿度增加能够有效提高单螺杆膨胀机的功率和效率。关键词：单螺杆膨胀机; 性能测试 ; 含湿量
引言
随着人口的增长和近年来工业的发展，人类对能源的需求与日俱增。一些发达国家能源利用率都占 50%以上，美国的能源利用率已超过 60%，而我国的能源利用率要低于发达国家水平约为 33%，比发达国家约低 10%[1-2]，而影响我国能源利用率的因素之一是工业余热利用率低。余热利用是我国《节能中长期发展专项规划》中的十大重点工程之一[3]。特别一些领域里的余热资源没有得到合理的利用以及小规模低温发电动力设备技术效率底下等因素导致了能源的浪费。因此提高能源利用率尤其是提高低温余热发电系统能源利用率就显得尤为重要了。所以开发适用于低温余热发电的新一代小型高效动力设备成为了重要的研究方向，而发展单螺杆膨胀机技术正是解决这一问题的关键[4-6]。单螺杆膨胀动力机是 20 世纪 70 年代末发展起来的新型余热发电装置。它是通过两个形似蜗轮截面的星
3
结论
- 37 /des
在以压缩空气为主要介质的单螺杆膨胀机中加入少量的水对于单螺杆膨胀机功率和总效率都有一定的增加作用，且总效率提高了 2.34%。由于水的比热容比较大，导致温降减小。同时水的加入对于单螺杆膨胀机有一定的腐蚀作用，不利于单螺杆膨胀机的长期运行。
膨胀介质湿度对单螺杆膨胀机性能影响的实验研究*
任超峰 1,2，王景甫 1，薛艳青 1，张新欣 1
1.北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100124 2.北京工业大学传热强化与工程节能教育部重点实验室，北京 100124 摘要：研究开发了一种用于中低温余热发电的小型动力装置—单螺杆膨胀机。单螺杆膨胀机具有转速低、膨胀比大、

直径155mm螺杆的单螺杆膨胀机性能试验夏国栋

科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald172技报告导读evaporator applied on an R425 diesel engine, the mechanism of the total and zone heat transfer rates, inlet and outlet parameters with engine speed and load were obtained. Spiral titanium coil tube evaporator, bellows evaporator and curved parallel flow condenser were developed. (2) An innovative concept for spiral coil heat exchanger with molten salt thermal storage was proposed. Mathematical models of heat exchanger with thermal storage were established, and calculation for spiral coil and sleeve heat exchanger with storage was performed. Experiments on heat storage, discharge and heat transfer of sleeve heat transfer unit were made. (3) By replacing with a single screw expander of Φ155 mm, multi-stage centrifugal pump, spiral titanium coil tube evaporator and curved parallel flow condenser, an modified ORC waste heat recovery system from exhaust gas of 247 kW diesel was made. The performances with engine power were tested. (4) The first law and second law of thermodynamics are utilized to investigate the variation of net power output, thermal efficiency, exergy efficiency and mass flow rates of 8 kinds of zeotropic mixtures under various operating conditions of a diesel engine. The waste heat recovery efficiency (WHRE)and power output increasing rate (POIR) are also presented and studied.(5) Specific revolution was proposed as the selection indicator of organic Rankine cycle working fluid pump. The relation between specific revolution and power for different working fluid pump was given under the evaporation temperature of 100 ℃ and the condensing temperature of 45 ℃.Suitable pumps for different specific revolutions were recommended. A rotary jet pump performance test was conducted, and the variations of head and efficiency with frequencies were obtained.Key Words ：Internal combustion engine;Waste heat;Organic rankine cycle;Single screw expander阅读全文链接（需实名注册）：htt p://w w w.nstr s.c n/x ian g x iBG.as px?id=50618&f lag=1。

螺杆膨胀动力机技术的探讨

螺杆膨胀动力机技术的探讨曹　武,　刘　凯(新余钢铁有限责任公司,江西新余338001) 摘　要:　阐述了螺杆膨胀动力机的研发、系统组成、工作原理和应用,分析了螺杆膨胀动力机优缺点,探讨了改进方法。

关键词:　余热利用;　螺杆膨胀动力机;　发电中图分类号:T U995 文献标识码:B 文章编号:1000-4416(2005)08-0069-03D iscussi on on Technology of Screw Expand i n g Power Genera torCAO W u,　L I U Kai(X inyu Iron&S teel Co.,L td.,X inyu338001,China) Abstract:　The study and devel opment of scre w expanding power generat or and its syste matic com2 positi on,working p rinci p le and app licati on are exp lained,advantages and defects of the scre w expanding power generat or are analyzed,and the i m p r oving method is discussed. Key words:　utilizati on of excess heat;　scre w expanding power generat or;　electrical power gen2 erati on1　螺杆膨胀动力机的研发工业生产常伴有大量高温高压废汽或废液产生,为利用其中的余热,许多国家开展了热机的研究。

螺杆膨胀动力机就是一种能利用余热的热机。

20世纪70年代末,美国研制出利用地热水发电的螺杆膨胀动力机,功率为60k W,取得了专利。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

2 th th th 1
Received: Jan. 27 , 2017; accepted: Feb. 14 , 2017; published: Feb. 17 , 2017
Abstract
Currently, the practical application of medium and small-scale Organic Rankine Cycle system still has many problems. And the performance of expander is an important technical bottleneck which limits its application. For a given type of expander, structural parameters have great influence on its performance. Internal volume ratio and gap are two main structure parameters which impact performance of single screw expanders. This paper carried out a preliminary study on the performance of single screw expanders under the influence of internal volume ratio and gap. The results show that the efficiency of the expander with large internal volume ratio is only about 50% of the one with small internal volume ratio, the volumetric efficiency of the former is lower than that of the latter by 20%. For the prototype of small internal volume ratio, there is no significant difference of power and efficiency of the expander with large fit gap compared with small fit gap, except the volumetric efficiency has a slight downward. For the prototype of large internal volume ratio, power and efficiency of the expander with large fit gap increase a certain extent, but the volumetric efficiency decreases compared with small fit gap.
2. 膨胀机主要结构参数
2.1. 内容积比
根据文献[8]，螺杆压缩机内容积比是吸气结束时基元容积中的气体体积与压缩终了时基元容积中的气体体积之比，参照螺杆压缩机的定义，螺杆膨胀机内容积比是最大排气容积与最大进气容积之比。膨胀比由内容积比及过程指数所确定，内容积比是排气容积与进气容积之比，是一结构参数[9]，过程指数受工质类型及温度等影响。膨胀比和内容积比的关系式如下：
Preliminary Experimental Study on the Performance of Single Screw Expanders by Structure Parameters
Liang Cheng1, Wei Wang1,2, Hehe Chen1, Yuting Wu1,2, Chongfang Ma1,2
收稿日期：2017年1月27日；录用日期：2017年2月14日；发布日期：2017年2月17日
摘
要
目前，中小规模有机朗肯循环系统的实用化仍存在许多问题，其中膨胀机性能是阻碍其应用的重要技术瓶颈，对于确定类型的膨胀机，结构参数对其性能影响较大。影响单螺杆膨胀机性能的结构参数主要是内容积比和配合间隙。本文开展了内容积比及间隙对单螺杆膨胀机性能影响的初步研究工作。结果表明：在相同间隙下，大内容积比的膨胀机效率仅为小内容比的 50%左右，容积效率比小内容比的膨胀机低 20%。对于小内容积比的样机，大配合间隙与小配合间隙相比，除容积效率略有下降外，功率和膨胀机效率基本没有差异；对于大内容积比的样机，大配合间隙与小配合相比，除容积效率略有下降外，功率和膨胀机效率均有一定幅度增加。
关键词
单螺杆膨胀机，结构参数，内容积比，间隙，性能测试
Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). /licenses/by/4.0/
Open Access
1. 引言
随着我国经济的持续快速发展，能源需求量日益增加。由于我国能源消费以化石燃料为主，近几年环境污染问题日益严重，所以，大力发展各种节能、可再生能源技术显得尤为重要。基于有机朗肯循环的低温余热发电技术是目前最有前景的技术之一[1]，可广泛用于太阳能光热发电、地热发电和分布式生物质发电，促进可再生能源在我国的利用。然而受制于膨胀机效率、工质泵效率和循环热效率等因素的制约，小型 ORC 系统目前仍处于实验室阶段。目前小型 ORC 系统采用的膨胀机主要包括涡旋、滚动转子、滑片式、螺杆式以及透平等。其中单螺杆膨胀机具有容积效率高、噪声低、磨损小、寿命长等优点，具有良好的市场应用前景。大量研究工作表明，膨胀机性能对 ORC 循环热效率影响很大。Peterson 等[2] 人搭建了以 R123 作为工质的小型有机朗肯发电系统，选用的小型涡旋膨胀机膨胀比为 4.57，膨胀机效率达到 50%，分析出系统循环效率为 7.2%，指出影响循环效率的关键是膨胀机。 Kang 等[3]人搭建了以 R245fa 为工质的有机朗肯循环试验台，实验中选用自己设计和制造的透平膨胀机，实测膨胀比为 2.72，膨胀机的最大效率为 82.2%，系统的最大循环效率估计能达到 5.65%，可以看出，系统循环效率并不仅仅和膨胀机效率有关，还与膨胀比有关。顾伟等[4]人通过比较同一工质在不同膨胀比下的循环热效率，分析结果表明，对于同一种工质，系统的效率随着膨胀比的增加而增加，可见，膨胀比对循环热效率的影响很大。初步实验结果表明，改变螺杆与壳体以及星轮与壳体的间隙，对单螺杆膨胀机性能有较大影响[5]。目前国内外开展的各类研究主要分析 ORC 系统效率，所采用的膨胀机多为成熟产品，对膨胀机专门的性能研究十分缺乏，急需开展相关的研究工作。结构参数对于单螺杆膨胀机性能影响的研究工作较少，
Keywords
Single Screw Expander, Structural Parameters, Internal Volume tio, Gap, Performance Testing
结构参数对单螺杆膨胀机性能影响的初步实验研究
程亮1，王伟1,2，陈贺贺1，吴玉庭1,2，马重芳1,2
Figure 1. Distribution of leakage channels 图 1. 泄漏通道分布
12
程亮等
本次实验主要关注的螺杆与壳体的间隙，即 L7、L8 和 L9。为了探究内容积比的改变对膨胀机性能的影响，设计了大小不同的两种内容积比样机，每种样机又设定了大小不同的配合间隙来探究配合间隙对样机性能的影响。不同结构参数的样机如表 1 所示。
11
程亮等
与此相关的文献，主要是单螺杆压缩机相关的研究工作。汤炎等[6]通过推导得出了一系列公式可用于 CC 型单螺杆压缩机的排气量计算、主要几何尺寸确定等，并且提出了压缩机设计与制造的主要结构参数的选取原则。王增丽等[7]从啮合副的结构参数对排气量、排气孔口位置等方面进行分析，得到其对压缩机性能影响规律。然而，压缩机与膨胀机在结构参数选择、工况等方面并不相同，需要对单螺杆膨胀机进行专门的研究。对于 ORC 系统，提高膨胀比会提高循环热效率，而膨胀机效率下降会降低循环热效率。获得不同膨胀比条件下膨胀机效率变化规律是 ORC 系统优化设计和运行的前提条件。然而，膨胀比并不是一个确定值，受膨胀机的结构参数、工质类型和工况条件等多方面影响。结构参数遵循基本的几何关系，其对膨胀机性能的影响可为膨胀机结构优化提供依据。为了探索内容积比及间隙的改变对单螺杆膨胀机性能的影响，本文拟开展不同内容积比及间隙条件下单螺杆膨胀机性能实验研究，为单螺杆膨胀机优化设计积累基础数据。
文章引用: 程亮, 王伟, 陈贺贺, 吴玉庭, 马重芳. 结构参数对单螺杆膨胀机性能影响的初步实验研究[J]. 可持续能源, 2017, 7(1): 10-17. https:///10.12677/SE.2017.71002
程亮等
1 2
北京工业大学环境与能源工程学院，北京传热强化与过程节能教育部重点实验室，传热与能源利用北京市重点实验室，北京
Vt k ε τ= = Vin
k
(1)
式中 ε 为膨胀比，τ 为内容积比，κ 为多变过程指数，Vt 为最大基元容积，m3；Vin 为最大进气容积，m3。
2.2. 间隙
单螺杆膨胀机的泄漏通道如图 1 所示：星轮齿顶与螺槽底面之间的间隙 L1；星轮齿前/后侧与螺槽侧面之间的间隙 L2、L4；星轮齿前、后侧，螺槽侧面及壳体围成的径向泄漏孔 L3、L5；星轮平面与壳体内壁面之间的间隙 L6；螺槽前后侧外缘与壳体内壁面之间的间隙 L7、L8；螺槽进气端外缘与壳体内壁之间的间隙 L9。