Comparison of some patented rotor profiles for twin-screw compressors

Among the positive-displacement compressors, the twin-screw machines are being increasingly used because of their excellent efficiency and high reliability. Such machines are used both in compressed air industry and for refrigeration and air conditioning purposes, with rated power ranging from tens to hundreds kilowatts. At the beginning of the design stage there is the geometric study of the rotor profiles throughout the rotation, the rotor lobes seal chambers at different pressure. A number of geometrical parameters then seriously determines both the compressor’s displacement and the leakage path areas. These are: the number of male and female rotor lobes, the wrap angle, the length-to-diameter ratio, but even some geometric parameters defining the specific curves of the profile. Therefore, it is fundamental to set such parameters for the best machine design related to the particular application. In this thesis, some patented rotor profiles, starting from the Stosic’s Demonstrator profile [1], has been constructed by means of the mathematical theory of the envelope condition. Then the computation of the most interesting geometric features in twin-screw compressors has been carried out. The sealing line computation at first, which is the locus of the rotors contact points. Secondly, the maximum value of the inter-lobe area was computed for each profile. After all the computation procedures have been parameterized, the automatic routines accommodated for a parametric analysis where a set of geometrical parameters were varied. Thus, it has been possible to assess the relative importance of these free parameters on the final outputs of the study: Sealing- Line length and maximum Inter-lobe Area. Moreover, the best set of parameters was chosen in order to maximize the one of these geometric features for each profile studied. Finally a geometric and performance comparison was done in order to highlighting the differences between the Demonstrator profile and the other patented rotor profile.

Nel panorama dei compressori volumetrici, le macchine a doppia vite stanno dimostrando ottima efficienza ed affidabilità per via della natura completamente rotativa del moto. Adatte per una larga gamma di taglie, dalle decine alle centinaia di kW, queste macchine trovano vasto impiego nelle applicazioni di produzione di aria compressa e nella refrigerazione/condizionamento dell’aria. La progettazione di queste macchine inizia con lo studio geometrico dei profili dei lobi che durante l’ingranamento garantiscono la tenuta fra camere a diversa pressione. Una serie di parametri geometrici entra in gioco in modo determinante sulla cilindrata e sulla dimensione deli percorsi di trafilamento. Essi sono: il numero di lobi dei rotori maschio e femmina, l’angolo di avvolgimento, il rapporto lunghezza/diametro dei rotori nonché i parametri geometrici che definiscono un certo numero di curvature del profilo. Diventa quindi essenziale conoscere gli effetti di tali parametri al fine di concepire la miglior macchina per la specifica applicazione. Oggetto di questo tesi è lo studio di alcuni profili brevettati, partendo dal profilo dimostratore di Stosic [1], costruiti utilizzando la teoria matematica di base per la condizione d’ingranamento. Successivamente, si è passati al calcolo delle caratteristiche geometriche d’interesse del compressore a doppia vite. Per prima cosa, il calcolo della linea di tenuta (Sealing Line), cioè il luogo geometrico dei punti di contatto dei rotori. Successivamente, è stato calcolato il massimo valore dell’area fra due lobi consecutivi (Inter-Lobe Area), per ogni profilo preso in esame. Parametrizzata e quindi automatizzata la procedura di calcolo, è stato possibile condurre un’analisi di sensitività su alcuni parametri geometrici e valutarne la relativa importanza rispetto ai valori assunti dai citati output. Inoltre, al fine di ottenere la massima cilindrata (Inter-lobe Area) per ogni profilo studiato, è stato settato il miglior corredo di parametri liberi osservando i risultati dell’analisi parametrica. Infine, è stato effettuato un confronto geometrico e di prestazioni tra il profilo Dimostratore e gli altri oggetto della tesi, al fine di evidenziarne le differenze.