【正文】 前言 螺桿膨脹機是一門十分年輕的膨脹機種，在技術(shù)文獻(xiàn)中關(guān)于其書籍甚少，因而很難普及。 靠氣體膨脹消耗內(nèi)能來對外作功的機械叫原動機或發(fā)動機。如燃?xì)廨啓C、蒸汽輪機、內(nèi) 燃燒 機等均是這種動力機械 ,在實質(zhì)上都是膨脹機。廣義的膨脹機包括發(fā)動機狹義膨脹機是指將溫度不高的但具有一定壓力的氣體的 內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功的一種動力機械 ,因此也可叫氣體發(fā)動機。本文講的膨脹機主要是對狹義膨脹機而言。 按膨脹機能量轉(zhuǎn)換方式的不同 ,可將膨脹機分為兩大類容積式膨脹機和透平膨脹機。不同種類的膨脹機 ,有著不同的應(yīng)用范圍。一般地講 ,容積式膨脹機用于 小流量 ,其中活塞式膨脹機適用于高、中及低壓的中小型裝置 ,也就是適用于大膨脹比 ,小流量的場合。而透平膨脹機主要用于大型裝置 ,即小膨脹比 ,小流量的場合 ,因透平膨脹機在高壓、小流量的情況下 ,效率低 ,所以它的應(yīng)用受著小氣量的限制 。 本 文討論的螺桿膨脹機屬于容積式膨脹機 ,是一種新型的膨脹機。近年來日本和西德有人在研究低壓螺桿膨脹機 ,但尚未投入正式商品生產(chǎn)。他們研究的目的 ,旨在于工業(yè)廢熱回收、地?zé)岚l(fā)電以及制取冷量等。螺桿膨脹機在我國還是一遍未開墾的空白地 。 螺桿膨脹機用途寬 廣， 可用于低溫制冷天然氣液化分離化工尾氣 ,煙氣 ,高爐氣余熱回收地?zé)岚l(fā)電 ， 井口高壓天然氣壓力能回收 ， 亦可在小流量下代替燃?xì)馔钙?,作為新型的燃?xì)獍l(fā)動機用。 本文主要進(jìn)行螺桿膨脹機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并應(yīng)用三維軟件繪制出所設(shè)計的膨脹機。螺桿膨脹機的心臟部分是帶有特殊螺齒的轉(zhuǎn)子副， 由于關(guān)于螺桿膨脹機的研究我們國家還不是很多，而且螺桿膨脹機的結(jié)構(gòu)與螺桿壓縮機相似，兩者的工作過程是互逆的，所以在設(shè)計過程中借用的螺桿壓縮機的轉(zhuǎn)子型線等結(jié)構(gòu)。 螺桿壓縮機的典型型線結(jié)構(gòu)有 SRM 齒型， Sigma 齒型， X 齒型， CF齒型和單邊非對稱擺線 銷齒圓弧齒型，其中最后一種齒型在 70年代末被我國 規(guī)定為螺桿壓縮機非對稱齒型的標(biāo)準(zhǔn)齒型 ，已知沿用至今，而本文中正是應(yīng)用的這種齒型來設(shè)計的。 第一章 緒論 螺桿膨脹動力機的簡介 靠氣體膨脹消耗內(nèi)能來對外作功的機械叫原動機或發(fā)動機。如燃?xì)廨啓C、蒸汽輪機、內(nèi)燃機等均是這種動力機械 ,在實質(zhì)上都是膨脹機。廣義的膨脹機包括發(fā)動機 狹義膨脹機是指將溫度不高的但具有一定壓力的氣體的 內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功的一種動力機械 ,因此也可叫氣體發(fā)動機。本文講的膨脹機主要是對狹義膨脹機而言。按膨脹機能量轉(zhuǎn)換方式的不同 ,可將膨脹機分為兩大類 容積式膨脹機和透平膨脹機。不 同種類的膨脹機 ,有著不同的應(yīng)用范圍。一般地講 ,容積式膨脹機用于小流量 ,其中活塞式膨脹機適用于高、中及低壓的中小型裝置 ,也就是適用于大膨脹比 ,小流量的場合。而透平膨脹機主要用于大型裝置 ,即小膨脹比 ,小流量的場合 ,因透平膨脹機在高壓、小流量的情況下 ,效率低 ,所以它的應(yīng)用受著小氣量的限制。本文討論的螺桿膨脹機屬于容積式膨脹機 ,是一種新型的膨脹機。近年來日本和西德有人在研究低壓螺桿膨脹機 ,但尚未投入正式商品生產(chǎn)。他們研究的目的 ,旨在于工業(yè)廢熱回收、地?zé)岚l(fā)電以及制取冷量等。 螺桿膨脹機用途寬廣，可用于低溫制冷天然氣 液化分離化工尾氣 ,煙氣 ,高爐氣余熱回收、地?zé)岚l(fā)電井口高壓天然、氣壓力能回收，亦可在小流量下代替燃?xì)馔钙?,作為新型的燃?xì)獍l(fā)動機用。 螺桿膨脹機發(fā)電 的工作原理 和工作過程 螺桿膨脹機的工作周期是由齒間容積 中的進(jìn)氣、膨脹和排氣三個過程組成。由于每個齒間容積依次進(jìn)行這些過程 ,因而電力的產(chǎn)生是連續(xù)不斷的 ,且還省去了必要的飛輪 。在進(jìn)氣過程中 ,氣體直接從徑向和軸向迸入 ,當(dāng)進(jìn)氣 口關(guān)閉時 ,齒 間容積形成了一個由轉(zhuǎn)和殼體圍成的密閉空間 ,在密閉空間氣體膨脹并產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子的嚙合點隨氣體的膨脹是向排氣端移動的 ,當(dāng)它抵達(dá)排氣端時 ,膨脹過程結(jié)束 ,齒間容積最大。與此同時 ,在進(jìn)氣端下一個嚙合又開始了 ,其它進(jìn)氣端都有相應(yīng)的嚙合點 ,排氣過程開始 ,齒間容積減少到與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動相一致。這就是螺桿膨脹機作為容積式發(fā)電機的原理。 螺桿膨脹機的主要組成部分 如 圖 11（ a） ,11（ b） 。 圖 11（ a) 螺桿膨脹機結(jié)構(gòu)圖 圖 11（ b） 螺桿膨脹機結(jié)構(gòu)圖 在節(jié)圓外具有凸齒的轉(zhuǎn)子叫陽轉(zhuǎn)子 ， 在節(jié)圓 內(nèi)具有凹齒的轉(zhuǎn)子叫陰轉(zhuǎn)子螺桿膨脹機工作過如圖 12所示 。 圖 12 螺桿膨脹機工作過程 螺桿膨脹機 是 容積式膨脹機械 ,其運轉(zhuǎn)過程從吸氣過程開始 ,然后氣體在封閉的齒間容積中膨脹 ,最后移至排氣過程 在膨脹機機體兩端 ,分別開設(shè)一定形狀和大小的孔口 ,一個是吸氣孔 口 ,一個是排氣孔口。陰 、 陽螺桿和氣缸之間形成的呈“ V”字形的一對齒間容積值隨著轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)而變化 ,同時 ,其位置在空間也不斷移動 。 （ 1） 吸氣過程圖 圖 12a 高壓氣體由吸氣孔口分別進(jìn)入陰 、陽螺桿“ V ”字形的齒間容積 ,推動陰、陽螺桿向彼此 背離的方向旋轉(zhuǎn) ,這兩個齒間容積不斷擴大 ,于是不斷進(jìn)氣 ,當(dāng)這對齒間容積后面一齒一旦切斷吸氣孔口時 ,這時齒間容積的吸氣過程也就結(jié)束 ,膨脹過程開始 圖 12b。 （ 2） 膨脹過程 圖 12c在吸氣過程結(jié)束后的齒間容積對里充滿著高壓氣休 ,其壓力高于順轉(zhuǎn)向前面一對齒間容積對里的氣體壓力 ,在壓力差的作用下 ,形成一定的轉(zhuǎn)矩 ,陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子便朝相互背離的方向轉(zhuǎn)去 ， 于是齒間容積變大 ,氣體膨脹 ,螺桿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)對外作功。轉(zhuǎn)子繼續(xù)回轉(zhuǎn) ,經(jīng)某轉(zhuǎn)角后 ,陰、陽螺桿齒間容積脫離 ,再轉(zhuǎn)一個角度 ,當(dāng)陰螺桿齒間容積的后齒從陽螺桿齒間容積中離開時 ,這時陰、陽齒間容積值達(dá)最大值 ,膨脹結(jié)束 ,排氣開始 。 （ 3） 排氣過程圖 12d， 當(dāng)膨脹結(jié)束時 ,齒間容積與排氣孔口接通 ,隨著轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn) ,兩個齒間容積 因齒的侵入不斷縮 ,將膨脹后的氣體往排氣端推趕 ,爾后經(jīng)排氣孔口排出 ,此過程直到齒間容積達(dá)最小值為止 。螺桿嚙合所形成的每對齒間容積里的氣體進(jìn)行的上述三個過程是周而復(fù)始的 ,所以機器便不停地旋轉(zhuǎn)。 螺桿膨脹機 特點 就氣體膨脹原理而言 ,螺桿膨脹機與活塞膨脹機一樣 ， 同屬于容積式膨脹機就其工作件運動形式而言 ， 螺桿膨脹機轉(zhuǎn)子與透平膨脹機轉(zhuǎn)子一樣 ， 作高速旋轉(zhuǎn)運動 。故 螺桿膨脹機兼有二者的特點 。 螺桿膨脹機具有較高的齒頂線速度 ， 轉(zhuǎn)速可達(dá)每分鐘萬轉(zhuǎn)以上 。膨脹機小螺桿膨脹機沒有曲軸活塞連桿機構(gòu) ， 凸輪配氣機構(gòu) ， 也無進(jìn)排氣閥 ， 結(jié)構(gòu)非常借單 ， 零件 數(shù)極少 ， 基本無易損件因此運轉(zhuǎn)可靠 ,壽命長也不存在不平衡慣性力矩 ， 所以甚至可以實現(xiàn)無基礎(chǔ)運轉(zhuǎn)。螺桿膨脹機是從高壓膨脹到低壓 ， 不可能象螺桿壓縮機那樣進(jìn)行噴油運轉(zhuǎn) ， 抓油靠氣體壓力自動循環(huán)。因此螺桿膨脹機通常為干式運轉(zhuǎn) ， 除非另加 油泵 ， 進(jìn)行強制性噴油循環(huán)在干式螺桿膨脹機中 ， 由于陰 、陽螺桿齒面間 ， 齒頂 與缸孔間存在著間隙 ,因而內(nèi)泄漏損失大 ， 特別 是在低轉(zhuǎn)速時容積效率較低。但由于齒間間隙的存在 ， 則可用于含液的二相流氣體如地?zé)岚l(fā)電站的全流螺桿膨脹機 ,含水、含原油的天然氣壓力能回收用螺桿膨脹機 ,也可用于含粉塵的氣體 如煙氣 ,燃?xì)饴輻U膨脹機螺桿膨脹機既可在設(shè)計壓力下工作 ,也可在低的吸氣壓力下工作 ,即對吸氣壓力下降變工況的適應(yīng)能力 ， 不過有附加損失而已螺桿膨脹機 既可在設(shè)計氣量下工作 ，也可在小于設(shè)計氣量下工作 ， 但回收能量亦呈減少趨勢螺桿齒面是一空間曲面 ,加工精度要求很高 ， 需要特制的刀具在專用機床上進(jìn)行加工 ,我國有幾個工廠 ， 在螺桿莊縮機加工方面已積累了不少寶貴 經(jīng)驗 ,對于螺桿膨脹機的制造是不存在問題的 。螺桿齒形及螺桿參數(shù)可采用 國 標(biāo) JB2409 一 85 “螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子和同步齒輪基本參數(shù)及尺寸 ”的規(guī)定 ,也可采用效率高的新齒形 。 國內(nèi)外研究概況 螺桿膨脹機的研究最早可追溯 1952 年，當(dāng)時， 已取得了螺桿膨脹機作為動力機的專利。 60 年代初，美國勞倫斯輻射實驗室進(jìn)行了高溫用石墨螺桿膨脹機實驗，所用工質(zhì)是惰性氣體氫，而螺桿膨脹機作為汽液兩相膨脹機的嘗試始于1971 年。 1973 年，美國水熱電力公司的 則獲得了螺桿膨脹機用于 地?zé)岚l(fā)電的專利。最初的螺桿膨脹機汽液兩相實驗室實驗是 1975 年在美國 Lawerence Livemore Liboratary 簡記（ LLL）進(jìn)行的，但當(dāng)時的實驗參數(shù)范圍較窄。 1977 年，該實驗室用同一臺螺桿膨脹機再度實驗，其結(jié)果揭示了汽液兩相螺桿膨脹機的一些特性。由于實驗中采用“節(jié)流法 ”生成不同干度的工質(zhì)，故實驗干度范圍較小。 1981年，美國加州大學(xué)伯克利分校對 LLL 用過的螺桿機的密封做了改進(jìn)后又進(jìn)行了實驗 ,獲得了較豐富的實驗數(shù)據(jù) ,并對螺桿機內(nèi)部損失的機理提出 了一些看法。 在實驗室研究的過程中 ,螺桿膨脹 機應(yīng)用于地?zé)岬默F(xiàn)場實驗也同時展開。 1971 年至 1973 年 ,美國水熱電力公司將兩臺螺桿空氣壓縮機改為膨脹機 ,并分別在加里福尼亞 Imperial Valley 和墨西哥 Cerro Prieto 進(jìn)行了現(xiàn)場實驗。 80年代初，在世界能源組織 IEA 的資助下，美國水熱電力公司設(shè)計、建造了 1MW 大型螺桿膨脹機發(fā)電機組，并分別在新西蘭、意大利和墨西哥作了實驗。 我國對全流螺桿膨脹機的研究始于 80 年代。當(dāng)時，天津大學(xué)熱能研究所結(jié)合西 藏地?zé)岚l(fā)電科研課題開展了螺桿膨脹機全流系統(tǒng)的研究。 1987 年， ,該所建造了我國第一套螺桿膨脹機全流 實驗裝置。目前天津大學(xué)熱能工程系仍在進(jìn)行這方面的研究，“汽液全流螺桿膨脹機發(fā)電技術(shù)”已被列為國家“九五 ”期間技術(shù)改造示范項目。 螺桿膨脹機技術(shù)特點 螺桿膨脹機的技術(shù)特點主要有以下幾點： ⑴ 它是一種容積式的全流動力設(shè)備，能適應(yīng)過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相流體和熱水 (包括高鹽分熱水 )工質(zhì)； ⑵ 無級調(diào)速，轉(zhuǎn)速一般設(shè)計為（ 1500~3000） r/min，相比同功率汽輪機，有較高的內(nèi)效率，一般在 65%以上； ⑶ 在熱源參數(shù)、功率及熱負(fù)荷 50%變化范圍內(nèi)，能保持平穩(wěn)工作且較高運行效率； ⑷ 單機功率在（ 50~20xx） Kw； ⑸ 設(shè)備緊湊，占地少，工程施工量小； ⑹ 操作方便，運行維護(hù)簡單，而且具有除垢自潔能力，大修周期長； ⑺ 起動不需要盤車、暖機。噪音低、平穩(wěn)、安全、可靠，全自動無人值守運行； 熱源范圍 直接驅(qū)動螺桿膨脹動力機的熱源應(yīng)用范圍如下： 蒸汽參數(shù)： － ， 溫度 300 ℃ 熱水參數(shù)：壓力 以上的熱水，溫度 170 ℃ 間接應(yīng)用的熱源范圍如下： 蒸汽參數(shù)：壓力 以下的各種蒸汽 ――雙循環(huán)發(fā)電 熱水參數(shù)：壓力 以下，溫度 65 ℃ 的熱水 ――雙循環(huán)發(fā)電 煙氣參數(shù)：溫度 200 ℃ 的各種煙氣 ――配余熱鍋爐發(fā)電 本課題研究的主要內(nèi)容及方法 本課題著重對螺桿膨脹機的轉(zhuǎn)子進(jìn)行設(shè)計計算，以及對轉(zhuǎn)子外殼及前后機座的設(shè)計 ， 相關(guān)設(shè)計參數(shù)如下： 1） 進(jìn)口蒸汽設(shè)計參數(shù)： , 180 2)出口蒸汽設(shè)計參數(shù)： , 90 3）流量設(shè)計： 22 t/h（或者 44t/h ） 4)折合到排氣口的排量為： 31 / minQm? 5）內(nèi)效率： 75%— 80% 6）陽轉(zhuǎn)子圓周速度 1 10 /u m s? 8）發(fā)電功率： 500KW 9 外形尺寸： 1500 1400 1200?? 10）調(diào)節(jié)類型：電器控制 11）系統(tǒng)重量： 3000 系統(tǒng)設(shè)計如下 圖 13： 圖 13 螺桿膨脹機系統(tǒng)設(shè)計 第二章 螺桿膨脹機 設(shè)計設(shè)計分析 螺桿膨脹機的設(shè)計主要是對螺桿轉(zhuǎn)子的設(shè)計，包括接觸線、泄 漏 三角形、封閉容積、齒間面積 的設(shè)計，而這些要素的設(shè)計最主要的是取決于轉(zhuǎn)自型線的 設(shè)計，所以本設(shè)計主要敘述對螺桿膨脹機得轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計。 本設(shè)計中采用陽轉(zhuǎn)子右旋，陰轉(zhuǎn)子左旋。 轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計 螺桿膨脹機最關(guān)鍵的是一對相互嚙合的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的齒面與轉(zhuǎn)子軸線垂直面的截交線稱為轉(zhuǎn)子型線。 對于螺桿膨脹機的轉(zhuǎn)子型線的要求，主要是在齒間容積之間有優(yōu)越的密封性能，因為這些齒間容積是實現(xiàn)氣體膨脹的工作腔 。 對 螺桿膨脹機性能有重大影響的轉(zhuǎn)子型線要素有接觸線、泄漏三角形、封閉容積和齒間面積等。 （ 1）接觸線 。螺桿膨脹機的陰、陽齒子嚙合時，兩轉(zhuǎn)子齒面相互接觸而形成的空間曲線稱為 接觸線。如果轉(zhuǎn)子間的接觸線不連續(xù)，則在高壓力區(qū)內(nèi)的氣體將通過接觸線中斷缺口，向低壓力區(qū)泄漏。 陰、陽轉(zhuǎn)子型線嚙合時的嚙合點軌跡，稱為嚙合線。嚙合線是知識接觸線在轉(zhuǎn)子面上的投影。顯然接觸線連續(xù)，意味著嚙合線應(yīng)該是一條連續(xù)的封閉曲線。 （ 2）泄漏三角形 。在接觸線頂點和機殼的轉(zhuǎn)子氣缸孔之間，會形成一個空間曲邊三角形，稱為泄漏三角形。 若嚙合線頂點距陰、陽轉(zhuǎn)子齒頂圓的交點較遠(yuǎn)，則說明泄漏三角形面積較大。 （ 3）封閉容積。 如果在齒間容積開始擴大時，不能立即開始吸氣過程，就會產(chǎn)生 吸氣封閉容積。吸氣封閉容積的存在，影響了齒 間容積的正常充氣。從轉(zhuǎn)子型線可定性看出封閉容積的大小。 （ 4）齒間面積 。它是齒間容積在轉(zhuǎn)子端面上的投影。轉(zhuǎn)子型線的齒間面積越大，在相同的導(dǎo)程下，轉(zhuǎn)子的齒間容積就越大。 （ 1）滿足嚙合要求。螺桿膨脹機的陰、陽轉(zhuǎn)子型線必須是 滿足嚙合定律的共軛線 。 （ 2）形成較為合適長度的連續(xù)接觸線。既要減少氣體通過間隙帶的泄露，又要求較小面積的泄漏三角形。 （ 3）應(yīng)使封閉容積較小。吸氣封閉容積導(dǎo)致膨脹機功耗增加、效率降低、噪聲增大。所以轉(zhuǎn)子型線應(yīng)使封閉容積盡可能的小。 （ 4）齒間面積盡量大。較大的 齒間面積是泄漏量占得份額相對減少，效率得到提高。 型線方程和嚙合線方程 （ 1）坐標(biāo)系建立 為了用數(shù)學(xué)方程描述螺桿膨脹機的 型線中各段組成齒曲線 ，建立如圖 21所示的四個坐標(biāo)系： 圖 21 坐標(biāo)系關(guān)系圖 1）固結(jié)在陽轉(zhuǎn)子的動坐標(biāo)系 1 1 1oxy 2）固結(jié)在陰轉(zhuǎn)子的動坐標(biāo)系 2 2 2oxy 3）陽轉(zhuǎn)子靜坐標(biāo)