基于Ansys雙螺桿膨脹機動態特性有限元仿真

(山東省地質礦產勘查開發局第三地質大隊，山東 煙臺 264000)

0 引言

螺桿膨脹機是依靠氣體體積膨脹，驅動螺桿轉子旋轉，將熱能轉換為機械能的一種熱機，是現代長足發展的一種新興動力機械，廣泛應用于煤礦及工業余熱回收、地熱發電、生物質發電等領域。雙螺桿作為雙螺桿螺桿膨脹機中的重要傳動系統，其性能的好壞直接決定設備性能的優劣，因此對螺桿螺桿膨脹機中的雙螺桿動態特性進行研究和分析顯得尤為必要。

為了獲得性能優良的螺桿傳動設備，同時了解螺桿相關產品和設備在工業、航天、汽車及煤礦等產業中的相關應用，國內外眾多學者對螺桿在煤礦機械中的應用及其它行業中的應用進行相關研究。其中，王兆強等[1]以某型高速高壓三螺桿泵為研究對象，對其流場特性進行數值仿真分析；黃力偉等[2]對煤礦在用螺桿式空壓機安全檢測檢驗的幾個問題進行相關研究；徐保龍等[3]以煤礦用帶扶正器螺桿鉆具為研究對象，運用試驗的方法對其造斜規律進行研究；陳虹微等[4]以煤礦螺桿空壓機為研究對象，對其振動進行分析，并對其振動和噪聲進行相關改進；蓋立武等[5]對大導程螺桿數控車削加工的相關技術進行研究；劉兆紅等[6]對硬鋁空心錐形凸緣螺絲成形工藝及其相關模具進行研究和分析；宋志軍等[7]以SJ58D擠出機為研究對象，對其變速系統花鍵齒輪軸套零件的結構進行設計，同時對其相關工藝進行研究；石兆東等[8]基于CFD對非嚙合并列型雙螺桿擠出機的三維流場進行數值模擬，研究了其內部流體場分布及特性。上述眾多學者對螺桿設備在煤礦及螺桿在煤礦機械中的應用，擠壓成型和相關設備進行了較為深入的研究和分析，取得了一定的研究成果，為煤礦機械設備性能改善和提高、螺桿在煤礦機械設備中的應用等方面提供重要的借鑒。但是對雙螺桿膨脹機的研究相對較少，基于此，本研究以雙螺桿膨脹機為研究對象，運用有限元仿真軟件Ansys對其雙螺桿傳動部分動態特性進行有限元仿真分析，為雙螺桿膨脹機綜合性能的提升等方面提供理論依據。

1 雙螺桿膨脹機驅動煤礦瓦斯發電系統

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，因此對其的研究得到國內外眾多學者的青睞。本研究為雙螺桿膨脹機驅動煤礦瓦斯發電系統。

雙螺桿膨脹機驅動煤礦瓦斯發電系統主要由煤礦瓦斯、燃燒蒸汽機、雙螺桿膨脹機、異步發電機、電能適配器、電網等組成。煤礦瓦斯在燃燒蒸汽機中燃燒產生蒸汽，蒸汽推動雙螺桿膨脹機作用，膨脹機帶動異步發電機運動進行發電，發出的電能在電能適配器的作用下并入電網，實現整個發電過程。雙螺桿膨脹機將眾多廢棄能量機氣體進行回收而產生新型清潔能源電能，因此其未來在各行各業中的應用前景非常好，雙螺桿作為雙螺桿膨脹機的最主要系統，其性能的好壞直接決定設備的優劣，因此對其動態特性進行研究顯得尤為必要。

2 雙螺桿膨脹機有限元建模

膨脹機在各行各業中應用廣泛，本文以煤礦瓦斯發電系統中的雙螺桿膨脹機為研究對象，運用三維建模軟件solidworks建立雙螺桿膨脹機三維模型如圖1所示。

1.進氣口 2.雙螺桿 3.出氣口

由圖1可知，本研究的雙螺桿膨脹機主要由進料斗、雙螺桿及出料口等組成，煤礦瓦斯燃燒后產生的高壓蒸汽通過進氣口進入驅動雙螺桿，運用雙螺桿帶動傳動軸運動，實現熱能與機械能之間的轉換，高壓蒸汽降壓降溫后通過出氣口排出。

根據上文建立的三維模型導入有限元分析軟件Ansys，建立雙螺桿膨脹機有限元仿真模型，雙螺桿膨脹機有限元仿真模型中有234 568個節點，1 845 743個單元。本研究雙螺桿膨脹機，轉速達5 000 rpm，膨脹機的體積比為2.5，軸長為50 mm，陽轉子每周位移容積為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、抗拉強度≥980 MPa、屈服強度≥785 MPa。設置仿真參數為轉速5 000 rpm，螺旋角分別為40°、80°、120°，蒸汽進氣、出氣壓力分別為4 bar、1 bar，蒸汽進氣、出氣溫度分別為100 ℃、48 ℃的仿真條件。根據上文建立的有限元仿真模型，加載上文設置的參數及仿真條件，仿真計算結果如下文所示。

3 有限元仿真結果與分析

煤礦瓦斯在燃燒蒸汽機中燃燒產生的高溫高壓蒸汽對雙螺桿膨脹機進行作用，膨脹機在高壓高溫蒸汽作用下，產生巨大的推力，推動膨脹機內部的雙螺桿旋轉運動，從而實現高壓高溫蒸汽的熱能轉換為機械能。根據上文建立的雙螺桿膨脹機有限元仿真模型，加載上文設置的工藝參數條件，仿真計算得到膨脹機雙螺桿在實際工況下的總變形如圖2所示。

由圖2可知，雙螺桿膨脹機中的雙螺桿在實際工況下，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 膨脹機雙螺桿在實際工況下的總變形

為了了解不同螺旋角對雙螺桿膨脹機中雙螺桿絕對壓力的影響。仿真計算得到不同螺旋角下雙螺桿絕對壓力分布如圖3所示。

圖3 不同螺旋角下雙螺桿絕對壓力分布

由圖3可知，在雙螺桿膨脹機實際工作過程中，隨著雙螺桿螺旋角增加，膨脹機中雙螺桿絕對壓力值大小基本不變，但其分布位置及區域不同；螺旋角在80°時分布區域最小。產生上述現象的原因為膨脹機雙螺桿螺旋角不同，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內部流動情況，仿真計算得到螺旋角80°時蒸汽流體場分布，煤礦瓦斯在燃燒蒸汽機中燃燒產生的高溫高壓蒸汽通過雙螺桿膨脹機進氣口進入，對膨脹機內部的雙螺桿作用，從出氣口出來整體流動，流動氣體推動膨脹機內部的雙螺桿作用，實現能量的轉換；蒸汽流速在雙螺桿內部形成螺旋氣流場，最大流動速度為50m/s，主要分布在螺桿四周。

綜上雙螺桿膨脹機動態特性有限元仿真分析可知，煤礦瓦斯在燃燒蒸汽機中燃燒產生的高溫高壓蒸汽通過雙螺桿膨脹機進氣口進入，從出氣口出來整體流動；膨脹機在高壓高溫蒸汽作用下，產生巨大的推力，推動膨脹機內部的雙螺桿旋轉運動，實現高壓高溫蒸汽熱能轉換為機械能；隨著雙螺桿螺旋角增加，膨脹機中雙螺桿絕對壓力值大小基本不變，但其分布位置及區域不同；螺旋角在80°時分布區域最小；蒸汽流速在雙螺桿內部形成螺旋氣流場，最大流動速度為50m/s，其主要分布在螺桿四周。

4 結語

雙螺桿膨脹機可以將各行各業的工藝廢棄、過剩的能力聚集轉換為人類可用的清潔能源，其在各行各業中得到了廣泛的應用。運用有限元仿真分析軟件Ansys建立膨脹機雙螺桿動態特性有限元仿真模型，分析了其在實際工況下的變形、不同螺旋角下的絕對壓力及流體場分布，為膨脹機結構改進及性能提升等方面的研究和分析提供重要的借鑒。