公路銑刨機瀝青輸送部分裝置的設(shè)計[三維UG]【含圖紙】

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Stosic I. Smith A. KovacevicScrew CompressorsMathematical Modellingand Performance CalculationWith 99 FiguresABCProf. Nikola StosicProf. Ian K. SmithDr. Ahmed KovacevicCity UniversitySchool of Engineering and Mathematical SciencesNorthampton SquareLondonEC1V 0HBU.K.e-mail: n.stosiccity.ac.uki.k.smithcity.ac.uka.kovaceviccity.ac.ukLibrary of Congress Control Number: 2004117305ISBN-10 3-540-24275-9 Springer Berlin Heidelberg New YorkISBN-13 978-3-540-24275-8 Springer Berlin Heidelberg New YorkThis work is subject to copyright. All rights are reserved, whether the whole or part of the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations, recitation, broadcasting, reproduction on microfilm or in any other way, and storage in data banks. Duplication of this publication or parts thereof is permitted only under the provisions of the German Copyright Law of September 9, 1965, in its current version, and permission for use must always be obtained from Springer. Violations are liable for prosecution under the German Copyright Law.Springer is a part of Springer Science+Business Mediaspringeronline.com_c Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2005Printed in The NetherlandsThe use of general descriptive names, registered names, trademarks, etc. in this publication does not imply,even in the absence of a specific statement, that such names are exempt from the relevant protective laws and regulations and therefore free for general use.Typesetting: by the authors and TechBooks using a Springer LATEX macro packageCover design: medio, BerlinPrinted on acid-free paper SPIN: 11306856 62/3141/jl 5 4 3 2 1 0PrefaceAlthough the principles of operation of helical screw machines, as compressors or expanders, have been well known for more than 100 years, it is only during the past 30 years that these machines have become widely used. The main reasons for the long period before they were adopted were their relatively poor efficiency and the high cost of manufacturing their rotors. Two main developments led to a solution to these difficulties. The first of these was the introduction of the asymmetric rotor profile in 1973. This reduced the blowhole area, which was the main source of internal leakage by approximately 90%, and thereby raised the thermodynamic efficiency of these machines, to roughly the same level as that of traditional reciprocating compressors. The second was the introduction of precise thread milling machine tools at approximately the same time. This made it possible to manufacture items of complex shape, such as the rotors, both accurately and cheaply.From then on, as a result of their ever improving efficiencies, high reliability and compact form, screw compressors have taken an increasing share of the compressor market, especially in the fields of compressed air production, and refrigeration and air conditioning, and today, a substantial proportion of compressors manufactured for industry are of this type.Despite, the now wide usage of screw compressors and the publication of many scientific papers on their development, only a handful of textbooks have been published to date, which give a rigorous exposition of the principles of their operation and none of these are in English.The publication of this volume coincides with the tenth anniversary of the establishment of the Centre for Positive Displacement Compressor Technology at City University, London, where much, if not all, of the material it contains was developed. Its aim is to give an up to date summary of the state of the art. Its availability in a single volume should then help engineers in industry to replace design procedures based on the simple assumptions of the compression of a fixed mass of ideal gas, by more up to date methods. These are based on computer models, which simulate real compression and expansion processes more reliably, by allowing for leakage, inlet and outlet flow and other losses, VI Preface and the assumption of real fluid properties in the working process. Also, methods are given for developing rotor profiles, based on the mathematical theory of gearing, rather than empirical curve fitting. In addition, some description is included of procedures for the three dimensional modelling of heat and fluid flow through these machines and how interaction between the rotors and the casing produces performance changes, which hitherto could not be calculated. It is shown that only a relatively small number of input parameters is requiredto describe both the geometry and performance of screw compressors. This makes it easy to control the design process so that modifications can be cross referenced through design software programs, thus saving both computer resources and design time, when compared with traditional design procedures.All the analytical procedures described, have been tried and proven on machines currently in industrial production and have led to improvements in performance and reductions in size and cost, which were hardly considered possible ten years ago. Moreover, in all cases where these were applied, the improved accuracy of the analytical models has led to close agreement between predicted and measured performance which greatly reduced development time and cost. Additionally, the better understanding of the principles of operation brought about by such studies has led to an extension of the areas of application of screw compressors and expanders.It is hoped that this work will stimulate further interest in an area, where, though much progress has been made, significant advances are still possible.London, Nikola StosicFebruary 2005 Ian SmithAhmed KovacevicNotationA Area of passage cross section, oil droplet total surfacea Speed of soundC Rotor centre distance, specific heat capacity, turbulence model constantsd Oil droplet Sauter mean diametere Internal energyf Body forceh Specific enthalpy h = h(), convective heat transfer coefficient betweenoil and gasi Unit vectorI Unit tensork Conductivity, kinetic energy of turbulence, time constantm Massm Inlet or exit mass flow rate m = m ()p Rotor lead, pressure in the working chamber p = p()P Production of kinetic energy of turbulenceq Source termQ Heat transfer rate between the fluid and the compressor surroundingsQ= Q()r Rotor radiuss Distance between the pole and rotor contact points, control volume surfacet TimeT Torque, Temperatureu Displacement of solidU Internal energyW Work outputv Velocityw Fluid velocityV Local volume of the compressor working chamber V = V ()VVolume flowVIII Notationx Rotor coordinate, dryness fraction, spatial coordinatey Rotor coordinatez Axial coordinateGreek Letters Temperature dilatation coefficient Diffusion coefficient Dissipation of kinetic energy of turbulencei Adiabatic efficiencyt Isothermal efficiencyv Volumetric efficiency Specific variable Variable Lame coefficient Viscosity Density Prandtl number Rotor angle of rotation Compound, local and point resistance coefficient Angular speed of rotationPrefixesd differential IncrementSubscriptseff Effectiveg Gasin Inflowf Saturated liquidg Saturated vapourind Indicatorl Leakageoil Oilout Outflowp Previous step in iterative calculations SolidT Turbulentw pitch circle1 main rotor, upstream condition2 gate rotor, downstream conditionContents1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Basic Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2 Types of Screw Compressors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2.1 The Oil Injected Machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2.2 The Oil Free Machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.3 Screw Machine Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.4 Screw Compressor Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.5RecentDevelopments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.5.1RotorProfiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.5.2CompressorDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172ScrewCompressorGeometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.1 The Envelope Method as a Basisfor the Profiling of Screw Compressor Rotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2 Screw Compressor Rotor Profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.3 Rotor Profile Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.4 Review of Most Popular Rotor Profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.4.1 Demonstrator Rotor Profile (“N” Rotor Generated) . . . . 242.4.2 SKBK Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.4.3 Fu Sheng Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.4.4 “Hyper” Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.4.5 “Sigma” Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.4.6 “Cyclon” Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.4.7 Symmetric Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.4.8 SRM “A” Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.4.9 SRM “D” Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.4.10 SRM “G” Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.4.11 City “N” Rack Generated Rotor Profile . . . . . . . . . . . . . 322.4.12 Characteristics of “N” Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.4.13 Blower Rotor Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39X Contents2.5 Identification of Rotor Positionin Compressor Bearings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402.6 Tools for Rotor Manufacture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.6.1 Hobbing Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.6.2 Milling and Grinding Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482.6.3 Quantification of Manufacturing Imperfections . . . . . . . . 483 Calculation of Screw Compressor Performance . . . . . . . . . . . . . 493.1 One Dimensional Mathematical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.1.1 Conservation Equationsfor Control Volume and Auxiliary Relationships . . . . . . . 503.1.2 Suction and Discharge Ports . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.1.3 Gas Leakages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.1.4 Oil or Liquid Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.1.5 Computation of Fluid Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.1.6 Solution Procedure for Compressor Thermodynamics . . 583.2 Compressor Integral Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.3 Pressure Forces Actingon Screw Compressor Rotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.3.1 Calculation of Pressure Radial Forces and Torque . . . . . 613.3.2 Rotor Bending Deflections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.4 Optimisation of the Screw Compressor Rotor Profile,Compressor Design and Operating Parameters . . . . . . . . . . . . . . 653.4.1 Optimisation Rationale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653.4.2 Minimisation Method Usedin Screw Compressor Optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . 673.5 Three Dimensional CFD and Structure Analysisof a Screw Compressor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 714 Principles of Screw Compressor Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.1 Clearance Management. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.1.1 Load Sustainability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 794.1.2 Compressor Size and Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 804.1.3 Rotor Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 824.2 Calculation Example:5-6-128mm Oil-Flooded Air Compressor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 824.2.1 Experimental Verification of the Model . . . . . . . . . . . . . . . 845 Examples of Modern Screw Compressor Designs . . . . . . . . . . 895.1 Design of an Oil-Free Screw CompressorBased on 3-5 “N” Rotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 905.2 The Design of Familyof Oil-Flooded Screw Compressors Basedon 4-5 “N” Rotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93Contents XI.5.3 Design of Replacement Rotorsfor Oil-Flooded Compressors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 965.4 Design of Refrigeration Compressors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1005.4.1 Optimisation of Screw Compressors for Refrigeration . . . 1025.4.2 Use of New Rotor Profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1035.4.3 Rotor Retrofits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1035.4.4 Motor Cooling Through the Superfeed Portin Semihermetic Compressors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1035.4.5 Multirotor Screw Compressors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1045.5 Multifunctional Screw Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1085.5.1 Simultaneous Compression and Expansionon One Pair of Rotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1085.5.2 Design Characteristics of Multifunctional Screw Rotors .1095.5.3 Balancing Forces on Compressor-Expander Rotors . . . . 1105.5.4 Examples of Multifunctional Screw Machines . . . . . . . . . 1116 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117A Envelope Method of Gearing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119B Reynolds Transport Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123C Estimation of Working Fluid Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133中文譯文螺桿壓縮機N.斯托西奇史密斯先生A科瓦切維奇螺桿壓縮機計算的數(shù)學模型和性能尼古拉教授斯托西奇教授伊恩史密斯博士艾哈邁德科瓦切維奇工程科學和數(shù)學北安普敦廣場倫敦城市大學英國電子郵件：n.stosiccity.ac.uk i.k.smithcity.ac.uk a.kovaceviccity.ac.uk國會圖書館控制號：2004117305isbn-10 3-540-24275-9 紐約施普林格柏林海德堡isbn-13 978-3-540-24275-8 紐約施普林格柏林海德堡這項工作是受版權(quán)保護,我們保留所有權(quán)利。無論材料的全部或部分關(guān)注的是特定的權(quán)利，尤其是翻譯，轉(zhuǎn)載，插圖，朗誦，廣播復用或以任何其他方式復制，并在銀行數(shù)據(jù)存儲的權(quán)利。本出版物或其部分僅僅是在1965年9月9日的德國版權(quán)法規(guī)定允許復制，目前的版本，并允許使用必須得到施普林格的允許。違法行為將會遭受德國版權(quán)法的起訴。施普林格是施普林格科學+商業(yè)媒體的一部分springeronline.com施普林格出版社柏林印刷在荷蘭海德堡2005一般描述性名稱，注冊域名，商標的使用，本出版物中做等。排版：由作者使用施普林格乳膠宏包封面設(shè)計：中部，柏林打印在無酸紙旋轉(zhuǎn)：11306856 623141JL 543210雖然螺旋機的工作原理，壓縮機或膨脹機，已超過100年，這是在過去的30年里，這些機器已經(jīng)被廣泛使用。主要因為以前他們采取了相對貧窮的效率和制造成本高的轉(zhuǎn)子。兩個主要的技術(shù)革新解決了這些困難。第一個出現(xiàn)在1973年的不對稱轉(zhuǎn)子。這減少了打擊孔的面積，這是內(nèi)部泄漏的主要來源，約90%，從而提高了熱力學效率，這些機器大約是傳統(tǒng)的往復式壓縮機的同一水平。第二個是精密螺紋銑削機床。這使它能夠制造形狀復雜的物品，如轉(zhuǎn)子，既準確又便宜。 從那以后，由于他們不斷改進，可靠性高性能和緊湊的形式，螺桿壓縮機已越來越多的占領(lǐng)壓縮機市場，尤其是在壓縮空氣生產(chǎn)的領(lǐng)域，制冷和空調(diào)，而今天，制造工業(yè)壓縮機占相當大的比例是也這種類型的。盡管，現(xiàn)在廣泛使用的螺桿壓縮機和許多科學發(fā)展論文出版，只有一小部分教科書已經(jīng)出版，使其操作和沒有這些原則的論述嚴謹是英文的。 本書的出