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研究生:柯宗緯
研究生(外文):Tsung-Wei Ke
論文名稱:負載下雙螺桿壓縮機轉子之變形分析
論文名稱(外文):Deformation Analysis of Screw Rotors for Twin-Screw Compressors under Loads.
指導教授:吳育仁吳育仁引用關係
指導教授(外文):Yu-Ren Wu
學位類別:碩士
校院名稱:國立屏東科技大學
系所名稱:機械工程系所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:98
中文關鍵詞:雙螺桿壓縮機氣體壓力溫度負載ANSYS間隙設計
外文關鍵詞:Twin-Screw CompressorGas PressureTemperature LoadANSYSGap Design
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雙螺桿壓縮機轉子在運轉時會因溫升、氣體壓力以及裝配誤差等因素而造成轉子齒面干涉,因此本文將模擬雙螺桿壓縮機實際運轉過程中所造成的轉子變形,以得知轉子受熱膨脹以及氣體壓力所造成的轉子變形量,作為合理間隙設計參考依據。目前國內對雙螺桿壓縮機做有限元素分析研究甚少,且分析模型大多僅考慮馬達驅動力矩及氣體壓力造成的轉子變形,而國外的研究主要以計算流體力學及三維熱流分析模型之應用居多,但往往模型較為複雜且計算時間冗長。本文利用有限元素分析軟體ANSYS建立簡化之雙螺桿壓縮機受負載之變形分析模型,對公、母轉子在承受氣體壓力及溫度負載下進行變形量之預估。過程中,將量測或理論公、母轉子端面齒形進行點資料處理,並將公、母轉子端面齒形旋轉至欲分析之轉角下,再採用電腦輔助繪圖軟體SolidWorks進行轉子立體模型的建立,依照工作齒槽封閉邊界將立體公、母轉子劃分出不同的壓力及溫度面域,以便在ANSYS中進行氣體壓力及溫度負載之施加,研究中先針對轉子在氣體壓力負載下之軸向力隨轉角變化進行分析,並將CAE分析結果與數值計算結果進行比對,以驗證CAE分析模型之合理性;在綜合考慮溫度負載以及氣體壓力狀況下,給予各齒槽區面域溫度變化及氣體壓力,最後將取出負載下轉子變形離散點資料,利用已開發之螺桿轉子齒面間隙計算程式,獲得間隙量及干涉量計算結果,以作為後續合理間隙設計之參考依據。
During operation, factors including the increases in temperature, and gas pressure, and inaccuracies in assembly often result in surface interference between twin-screw compressor rotors. This study will simulate rotor deformation during the actual operation of twin-screw compressors to quantify the amount of deformation that occurs in rotors due to thermal expansion and gas pressures in order to provide the design of reasonable gap design. Finite-element analysis on twin-screw compressors are currently very limited in Taiwan, and the models used for analysis mostly only take the rotor deformation caused by motor torque and gas pressure into consideration. Studies in other countries mainly conduct fluid dynamics calculations or three-dimensional heat flow analyses, but those models are often relatively complex and take a long time to perform the calculations. This work uses the finite-element analysis software ANSYS to establish a simplified twin-screw compressor model for deformation analysis and conduct deformation estimations for male and female rotors under the effects of gas pressure and thermal loads. In the process, we will either measure or theoretically derive the shapes of the male and female rotor surfaces to conduct point data processing. We will also rotate the male and female rotor surfaces to a specific angle that we wish to analyze and use the computer-aided graphics software SolidWorks to establish a three-dimensional model of the rotor. The three-dimensional male and female rotors are divided into different pressure and temperature regions according to the closed boundaries of the teeth so that gas pressure and temperature loads can be applied in ANSYS. In the study, we will first analyze the axial force of the rotor with respect to different rotation angles under gas pressure, and compare the CAE analysis results with the results of the mathematical calculations in order to verify the CAE analytical model. With temperature loading and gas pressure being simultaneously considered, temperature and pressure changes are applied to the clearances between rotors. Finally, the discrete point data of the rotor deformation under the above loads can be obtained. Using the screw rotor tooth surface pitch calculation program that has already been developed, we can obtain the gap and interference calculation results to serve as a basis of reference for the subsequent designs of reasonable gap design.
目錄
摘要 I
Abstract III
謝誌 V
目錄 VI
表目錄 IX
圖目錄 X
符號表 XIII
第1章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 文獻回顧 4
1-3 研究動機與目的 7
1-4 研究架構 8
第2章 雙螺桿轉子幾何模型之建立 15
2-1 轉子幾何特徵介紹 16
2-1-1 雙螺桿壓縮機轉子齒形幾何特徵 16
2-1-2 轉子齒槽密封線組成 16
2-1-3 接觸線 18
2-1-4 齒頂密封線 18
2-1-5 高、低壓側回吹孔 19
2-2 轉子離散點資料處理 21
2-2-1 Cubic Spline曲線擬合 21
2-2-2 刪除重複點資料 22
2-3 轉子實體幾何模型建立 23
2-4 轉子實體幾何模型面域劃分 25
2-4-1 氣體壓力負載分析模型面域劃分 25
2-4-2 溫度負載分析模型面域劃分 27
2-5 小結 28
第3章 雙螺桿轉子受壓負載分析模型之建立 29
3-1 吸、排氣端平均壓力計算 30
3-2 問題定義與分析目標 31
3-2-1 問題描述 31
3-2-2 元素介紹 32
3-3 轉子受氣體壓力負載分析模型建立 33
3-3-1 位移限制 33
3-3-2 負載條件 33
3-4 小結 36
第4章 雙螺桿轉子受熱受壓負載分析模型之建立 37
4-1 轉子軸承溫度計算 38
4-2 問題定義與分析目標 41
4-2-1 問題描述 41
4-2-2 元素介紹 42
4-3 轉子受氣體壓力及熱負載分析模型建立 43
4-3-1 位移限制 43
4-3-2 負載條件 43
4-3-3 序貫耦合分析 46
4-4 小結 47
第5章 雙螺桿轉子負載分析案例結果及結果探討 48
5-1 轉子基本參數設定 48
5-1-1 基本假設 48
5-1-2 轉子氣體壓力負載分析基本參數設定 49
5-1-3 轉子溫度負載變形分析基本參數設定 50
5-2 轉子有限元素分析結果 51
5-2-1 電腦硬體設備 51
5-2-2 轉子網格分割 51
5-2-3 轉子受壓負載分析結果 53
5-2-4 轉子受熱受壓分析結果 66
5-3 比對與驗證 85
5-4 氣體壓力及溫度負載變形合理間隙設計範例 87
5-5 小結 90
第6章 總結、未來建議與研究貢獻 91
6-1 總結 91
6-2 未來建議 92
6-3 研究貢獻 93
參考文獻 94
作者簡介 98

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