HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC CỦA MÁY NÉN KHÍ TRỤC VÍT PHUN DẦU DƯỚI TÁC DỤNG TẢI TRỌNG KHÍ TUẦN HỒN Trần Thế Văn, Lý Ngọc Quyết, Đỗ Anh Tuấn Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, UTEHY-HY (Manuscript Received on July 08th, 2017, Manuscript Revised September 03rd, 2017) TĨM TẮT Máy nén trục vít sử dụng nhiều ngành công nghiệp khác với yêu cầu giảm hao phí lượng, tiếng ồn hiệu suất cao Việc phân tích động lực học q trình làm việc máy nén trục vít tác dụng tải trọng khí tuần hồn cần thiết để cải thiện tính truyền dẫn đặc tính làm việc máy nén khí Bài báo đề xuất mơ hình CAE đơn giản cho việc phân tích động lực học máy nén khí Mơ men xoắn tải trọng biến thiên gây áp suất khí tuần hồn xét đến máy nén khí làm việc Kết phân tích động lực học sử dụng làm tài liệu tham khảo cho trình thiết kế tối ưu hóa biên dạng máy nén khí trục vít sau Từ khóa: máy nén trục vít, động lực học, tải trọng khí GIỚI THIỆU Máy nén khí trục vít phun dầu thường sử dụng để nén khơng khí làm lạnh bơi trơn dầu Ngồi ra, chúng sử dụng ngành hóa chất, hóa dầu, chế biến thực phẩm, cơng nghiệp giấy sản xuất điện, khí đốt tự nhiên,… Trong buồng chứa máy nén khí, hai quay rotor ăn khớp với nhau, thể tích buồng chứa hình thành rãnh rotor vỏ máy nén Kích thước buồng chứa giảm dần q trình nén Máy nén khí trục vít quay với tốc độ cao phạm vi rộng áp lực hoạt động tốc độ dòng chảy Động lực học máy nén khí trục vít ảnh hưởng đến đặc điểm truyền động máy Áp lực khí tuần hồn cửa hút cửa xả phân bố áp suất khí tuần hồn bề mặt rotor phi tuyến dọc theo bề mặt xoắn ốc phức tạp rotor nên khó khăn để xác định mô men lực gây áp suất khí tuần hồn tác dụng lên rotor Bài báo xây dựng chương trình cho phép tính tốn mơ men lực gây áp suất khí tuần hồn dụng lên rotor Một mơ hình 3D động lực học rotor vít ổ lăn thành lập sử dụng phần mềm SOLIDWORKS sau mơ hình đưa sang phần mềm ADAMS ANSYS để mơ Trang 72 phân tích đặc trưng động lực học rotor Gần đây, số phương pháp sáng tạo trình bày để cải thiện tạo hình biên dạng rotor Cụ thể, Zaytsev Infante Ferreira [1] đề xuất phương pháp tạo hình biên dạng rotor từ đường ăn khớp gồm đường thẳng cung tròn Wu Fong [2] xây dựng mơ hình tốn học hình biên dạng rotor dựa đường làm việc cubic-spline điều khiển dịch chuyển đoạn sử dụng phương trình bậc hai để cải thiện hiệu suất máy nén khí Trước đó, Chen [3] sáng chế máy nén trục vít với rotor có biên dạng giúp tăng hiệu suất máy nén giảm tổn thất trình làm việc ăn khớp rotor Stosic cộng [4] trình bày thiết kế cho máy nén khí có hiệu suất cao với biên dạng rotor Để xác định đặc tính hình học máy nén trục vít, Singh Onuschak [5] báo cáo phương pháp tính tốn để tạo hình xác định thơng số hình học rotor Một sơ đồ áp suất phương pháp để thu thông số hình học tối ưu cho máy nén trục vít đưa Tang Fleming [6] Gần đây, Wu Chi [7] đưa HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM phương pháp số để đánh giá khe hở rotor cách sử dụng hai pháp tuyến tạo điểm riêng biệt rotor chủ động bị động Để tính toán kiểm tra tải trọng rotor ổ lăn, Fujiwara cộng [8] trình bày phương pháp tính tốn tải trọng tác dụng rotor Tải trọng khí tác động rotor chủ động bị động tính qua đường làm việc hình thành đường biên khơng gian làm việc Gần đây, Wu cộng [9] trình bày phương pháp phần tử hữu hạn 3D cho phép tính tốn tải trọng máy nén cách tích hợp lực mô men nút phần tử rotor Hsieh cộng [10] sau đề xuất mơ hình lý thuyết xây dựng chương trình máy MƠ HÌNH BIÊN DẠNG ROTORS TRONG MÁY NÉN KHÍ VÀ MƠ HÌNH TẢI TÁC DỤNG LÊN ROTOR 2.1 Mơ hình biên dạng rotor Biên dạng rotor máy nén trục vít tạo cách sử dụng điểm rời rạc Dữ liệu điểm rời rạc thu từ việc đo biên dạng rotor máy nén RC2-410 sản xuất Công ty HANBELL (Hình 1) Đường cubic spline sử dụng để nội suy điểm đo từ xây dựng biên dạng rotor chủ động bị động máy nén khí Phương trình nội suy phần đường cong cubic spline biểu diễn sau:   r (u )  x(u ), y (u ),1   ax,k u k , a y ,k u k ,1 (1)  k 0  k 0  tính để tính tốn quan hệ áp suất, thể tích (PV) hiệu suất cho máy nén trục vít phun dầu Tuy nhiên, nghiên cứu không xem xét ảnh hưởng lực động học tiếp xúc đàn hồi cặp rotor ăn khớp Bài báo trình bày mơ hình động lực học có độ trung thực cao máy nén khí trục vít (HANBELL RC2- 410 Type) Mơ hình sử dụng để phân tích động lực học máy nén khí với kết hợp mô men xoắn lực tạo khí tuần tồn tác dụng lên trục rotor ổ lăn Một ví dụ mơ thực để xác minh giá trị phương pháp đưa cách so sánh kết mô động lực học giá trị thực tế đo rR (u, )   xR (u,  ), yR (u,  ), s p  cos     sin    N R (u, )   sin  cos  T   x(u )     y (u )  s p    rR (u, ) rR (u, )   u (3) θ tham số dọc trục bề mặt rotor, sp tham số xoắn ốc bề mặt rotor, sp = rp cosβp βp góc nghiêng đường xoắn ốc, rp bán kính vòng chia rotor Mơ hình CAD 3D cặp rotor máy nén khí biểu diễn Hình 1  i Trong đó, u tham số hướng cho biên dạng rotor đoạn đường cong nội suy ax,k , a y , k hệ số đường cong nội suy k bậc phương trình đường cong ( k  0, ,3 ) Khi vector nội suy biên dạng rotor, r (u ) , chuyển đổi sang tọa độ chuyển động xoắn ốc biểu diễn Hình 2, phương trình vector vector pháp tuyến bề mặt xoắn ốc rotor, rR (u, ) xác định sau: (2) r1(u) m (a) r2(u) i i+1 m i+1 (b) Hình Biên dạng rotor chủ động (a) bị động (b) Trang 73 HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Pq  P(q ), q  1, 2, zR yR  OR xR sp  O , 2z (9) Nhiệt độ khí buồng làm việc máy nén khí xác định theo quy luật sau: q    (q  1) , q  ~ N (10) tq  0.5 t (q 1 )  t (q )  , q  ~ N (11) Trong  góc quay ban đầu rotor bánh chủ động,  bước tăng góc quay rotor,  q góc qua rotor vị trí xét áp suất khí, y Pq , t q áp suất nhiệt độ khí tác dụng lên bề x mặt rotor vùng xét Mô số thay đổi áp suất nhiệt độ buồng làm việc biểu diễn Hình Hình Áp suất khí, P(MPa) Hình Hệ tọa độ tạo hình bề mặt rotor máy nén khí trục vít Góc quay Rotor,  (o) Hình Mơ hình 3D rotor chủ động bị động Theo lý thuyết truyền động bánh răng, lực tác dụng lên rotor chủ động tạo mô men động cơ, Td, sau: Td , rp1 (4) Fa1  Ft1 tan  p , (5) Ft1  Fr1  Ft1 tan  n1 , cos  p (6) Góc quay Rotor,  (o) Và lực pháp tuyến lý thuyết t điểm tiếp xúc rotor là: Fn1  Ft12  Fa21  Fr21  Fn (7) rp1 bán kính vòng chia rotor chủ động αn1 góc áp suất rotor chủ động Thay đổi áp suất buồng làm việc theo góc rotor chủ động phụ thuộc vào hệ thống nhiệt chất lỏng Nó thực cách thay đặc tính hình học vào mơ hình lý thuyết cho phần tử thể tích hữu hạn Áp suất khí buồng làm việc máy nén khí xác định theo quy luật sau: q    (q  1) , q  1, 2, Trang 74 Hình Thay đổi áp suất khoang chứa máy nén khí làm việc Nhiệt độ khí, t(oC) 2.2 Mơ hình tải tác dụng lên rotor , 2z (8) Hình Thay đổi nhiệt độ khoang chứa máy nén khí làm việc VÍ DỤ VÀ THẢO LUẬN Trong ví dụ này, chúng tơi so sánh kết tính tốn từ mơ hình lý thuyết lực tiếp xúc rotor (Phương trình (7)) kết mơ cho hai trường hợp: khơng có khí tuần hồn tác dụng có khí tuần hồn tác dụng Các tham số điều kiện làm việc thông số kỹ thuật cho Bảng Các tham số đặc tính vật lý rotor máy nén khí cho Bảng HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Bảng Các điều kiện làm việc thông số kỹ thuật Đơn vị kW rpm Kgf/cm % Hình Lực tiếp xúc rotor khơng có tác dụng khí tuần hồn Đơn vị mm mm Độ mm mm Độ Bảng Tham số đặc tính vật lý rotor máy nén khí Tham số Mơ đun Young (Pa) Hệ số Poisson Khối lượng riêng (g/cm ) Mean Suction Pressure (Pa) Mean Discharge Pressure (Pa) Hệ số dẫn nhiệt (W/m-K) Hệ số giãn nở (°C) Hệ số nhiệt đối lưu (W/m2 -K) Nhiệt độ ban đầu (°C) Nhiệt cửa hút (°C) Nhiệt cửa xả (°C) Thời gian (s) l/rev - Lực tiếp xúc (N) Điều kiện làm việc Tham số Giá trị Công suất 67.9 Tốc độ quay rotor chủ 3600.0 động Áp lực hút/xả thực tế 3.56/10.09 Khả chịu tải điều 100.0 chỉnh Thể tích quét 2.27 Tỷ lệ thể tích tích hợp 2.6 Thơng số kỹ thuật Tham số Rotor Rotor bị chủ động động Số Bán kính vòng 86.92 69.49 ngồi Bán kính vòng 53.50 36.08 chia Góc qt 258.0 215.0 Độ dài trục vít 163.492 Khoảng cách 123.03 tâm Góc nghiêng đường xoắn 57.0 ốc Lực tiếp xúc (N) cho máy nén loại RC2-410 Values 207×10 0.3 7.85 344870 Thời gian (s) Hình Lực tiếp xúc rotor có tác dụng khí tuần hồn Tiếp theo biến dạng rotor tác dụng tải trọng biểu diễn Hình Giá trị biến dạng cực đại 0.127 mm đỉnh vị trí cửa xả rotor chủ động 0.061 mm rotor bị động Biến dạng lớn dần theo phương hướng kính từ trục rotor tới đỉnh ngồi gần cửa xả biến dạng lớn vị trí cửa xả áp suất tải lớn nhiệt độ cao 1017170 49.8 -5 1.36×10 20 23 5.9 70 Kết mơ biểu diễn Hình Ta thấy lực tiếp xúc Rotor (6000.1 N) gần với giá trị lực tiếp xúc trung bình 5973.5 N, thu từ mơ phỏng, Hình Và có khí tuần hồn tác dụng lực tiếp xúc trung bình tăng từ 5973.5 N lên 6218.5 N Vậy, lực tiếp xúc trung bình tăng khoảng 4.1% KẾT LUẬN Bài báo xây dựng mơ hình đơn giản để phân tích động lực học làm việc máy nén khí tác dụng tải trọng khí tuần hồn Kết cho thấy lực tiếp xúc tính tốn lý theo cơng thức thuyết xấp xỉ lực tiếp xúc trung bình thu từ mơ hình mơ Adams Hình Biến dạng rotor chủ động bị động tác dụng tải trọng Dưới tác dụng khí tuần hồn lực tiếp xúc tăng khơng đáng kể Do số phân tích đơn giản bỏ qua ảnh hưởng tải trọng khí tuần hồn Tuy nhiên tải trọng khí tác dụng tập trung chủ yếu cửa xả nên ảnh hưởng đáng kể đến biến dạng vị trí đỉnh gần cửa xả Trang 75 HỘI NGHỊ KHCN TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D Zaytsev, C A Infante Ferreira, Profile Generation Method for Twin Screw Compressor Rotors Based on the Meshing Line, International Journal of Refrigeration, Vol 28, (2005) 744–755 [2] Y R Wu, Z H Fong, Rotor Profile Design for the Twin-Screw Compressor Based on the Normal-Rack Generation Method, Journal of Mechanical Design, Vol 130 (2008) No 042601 (8 pages) [3] C H Chen, Screw Compressor with Rotors Having Hyper Profile, United States Patent (US5454701), 1995 [4] N Stosic, I K Smith, A Kovacevic, C A Aldis, The Design of a Twin-screw Compressor Based on a New Rotor Profile, Journal of Engineering Design, Vol 8, Iss 4, (1997) 389-399 [5] P J Singh, A D Onuschak, A Comprehensive, Computerized Method for Twin-Screw Rotor Profile Generation and Analysis, International Compressor Engineering Conference at Purdue, 1984, Paper No 501 (9 pages) [6] Y Tang, J S Fleming, Obtaining the Optimum Geometrical Parameters of a Trang 76 Refrigeration Helical Screw Compressor, International Compressor Engineering Conference at Purdue, 1992, Paper No 811 (7 pages) [7] Y R Wu, J W Chi, A Numerical Method for the Evaluation of the Meshing Clearance for Twin Screw Rotors with Discrete Tooth Profile Points, Mechanism and Machine Theory, Vol 70 (2013) 62–73 [8] M Fujiwara, Y Nakamura, M Aoki, T Watabe, Calculation of Gas Loads Acting on Screw-Compressor Rotors, Transactions of the Japan Society of Mechanical EngineersSeries C, Vol 58 (1992) 565-571 [9] H G Wu, Y Ma, Z W Xing, Theoretical and Experimental Investigation of Compression Loads in Twin Screw Compressor, International Compressor Engineering Conference at Purdue, 2004, Paper No 1701 (6 pages) [10] S H Hsieh, Y C Shih, W H Hsieh, F Y Lin, M J Tsai, Calculation of temperature distributions in the rotors of oil-injected screw compressors, International Journal of Thermal Sciences, Vol 50, (2011) 12711284 HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 Trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG TP HCM DYNAMIC ANALYSIS FOR AN OIL-INJECTED TWIN-SCREW COMPRESSOR UNDER GAS-INDUCED CYCLIC LOADS ABSTRACT Twin-screw compressors are usually applied in many different industries that demand a saving and high-efficiency energy system with availability of a high-performance and low-noise Dynamic analysis of a twin-screw compressor with the gasinduced cyclic loads is necessary to improve the transmission and working characteristics of compressor system This paper proposed a simple CAE model to analyze dynamic of the screw-rotor The fluctuating torques and forces induced by cyclic gas pressure are applied on the screw rotors of an oil-injected twin-screw compressor The obtained results can be used as a reference for design and optimal process of the twin-screw compressor Keywords: twin-screw compressor, dynamic, gas-induced cyclic loads Trang 77 ... chủ động bị động tác dụng tải trọng Dưới tác dụng khí tuần hồn lực tiếp xúc tăng khơng đáng kể Do số phân tích đơn giản bỏ qua ảnh hưởng tải trọng khí tuần hồn Tuy nhiên tải trọng khí tác dụng. .. độ trung thực cao máy nén khí trục vít (HANBELL RC2- 410 Type) Mơ hình sử dụng để phân tích động lực học máy nén khí với kết hợp mơ men xoắn lực tạo khí tuần toàn tác dụng lên trục rotor ổ lăn... dựng mơ hình đơn giản để phân tích động lực học làm việc máy nén khí tác dụng tải trọng khí tuần hồn Kết cho thấy lực tiếp xúc tính tốn lý theo công thức thuyết xấp xỉ lực tiếp xúc trung bình