avroenОмский научный вестник. Серия "Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение"Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering2588-03732587-764XОмский государственный технический университет10.25206/2588-0373-2025-9-4-13-21ZNMXEXavroen-120Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕPOWER AND CHEMICAL ENGINEERINGОценка влияния тепловых деформаций основных элементов героторного винтового компрессора при расчете минимально безопасных рабочих зазоровEvaluation of the effect of thermal deformations of the main elements of a gerotor screw compressor in calculating the minimum safe operating clearanceshttps://orcid.org/0000-0002-9278-5903ПронинВ. А.ProninV. A.

Пронин Владимир Александрович, доктор технических наук, профессор образовательного центра «Энергоэффективные инженерные системы»AuthorID (РИНЦ): 706161AuthorID (SCOPUS): 57188556577ResearcherID: F-4743-2019

Россия, 191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9

Pronin Vladimir Aleksandrovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of Educational Centre “Energy Efficient Engineering Systems”

Russia, Saint Petersburg, Lomonosova St., 9, 191002

maior.pronin@mail.ruБеловП. А.BelovP. A.

 

Белов Павел Андреевич, аспирант образовательного центра «Энергоэффективные инженерные системы»

Россия, 191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9

Belov Pavel Andreevich, Postgraduate of the “EnergyEfficient Engineering Systems” Educational Centre

Russia, Saint Petersburg, Lomonosova St., 9, 191002

mr.belofff99@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-4357-0022ЦветковВ. А.TsvetkovV. A.

Цветков Вадим Александрович, кандидат технических наук, доцент образовательного центра«Энергоэффективные инженерные системы»; доцентAuthorID (РИНЦ): 8455-6307

Россия, 191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9

Россия, 190005, г. Санкт-Петербург, ул. 7-я Красноармейская, д. 16, лит. А

Tsvetkov Vadim Alexandrovich, Candidate of Technical Sciences, Assistant of the “Energy Efficient Engineering Systems” Educational Centre; Associate Professor

Russia, Saint Petersburg, Lomonosova St., 9, 191002

Russia, Saint Petersburg, 7th Krasnoarmeyskaya St., 16, lit. A, 190005

wadimtsvetkov@mail.ruДжумаевМ. Х.DzhumaevM. H.

ДЖУМАЕВ Мухаммед Хемраевич, аспирант образовательного центра «Энергоэффективные инженерные системы»

Россия, 191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9

Dzhumaev Mohammed Khemraevich, Postgraduate of the “Energy Efficient Engineering Systems” Educational Centre

Russia, Saint Petersburg, Lomonosova St., 9, 191002

genri001@mail.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian FederationУниверситет ИТМО; АНО «Уральский научный центр»РоссияITMO University; AUO "Ural Scientific Center"Russian Federation202530122025941321Copyright © Пронин В.А., Белов П.А., Цветков В.А., Джумаев М.Х., 20252025Пронин В.А., Белов П.А., Цветков В.А., Джумаев М.Х.Pronin V.A., Belov P.A., Tsvetkov V.A., Dzhumaev M.H.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ariem.omgtu.ru/jour/article/view/120

Одной из ключевых задач при проектировании высокоэффективных винтовых компрессоров является обоснованное назначение рабочих зазоров, которые подвергаются значительным изменениям параметров вследствие тепловых и силовых деформаций рабочих органов компрессора в условиях эксплуатации. В работе методами численного моделирования проведена оценка тепловых деформаций рабочих элементов героторного винтового компрессора с внутренним зацеплением. Исследование основано на последовательном термоструктурном анализе в инженерном пакете ANSYS, включающем расчет стационарного температурного поля и последующее определение термоупругих деформаций. Установлено, что, несмотря на существенную величину тепловых деформаций, их согласованное направление приводит к незначительному результирующему изменению рабочих зазоров. На основе векторного анализа полей перемещений предложена методика назначения минимальных безопасных эксплуатационных зазоров. Разработанный подход позволяет численно оценить влияние тепловых деформаций рабочих органов компрессора при назначении минимально безопасных зазоров. 

One of the key tasks in the design of high-efficiency screw compressors is the reasonable assignment of working gaps, which are subject to significant thermal deformations under operating conditions. In the presented work, the thermal deformations of the working elements of a gerotor screw compressor with internal gearing are estimated using numerical modeling methods. The study is based on sequential thermal structural analysis in the ANSYS engineering package, which includes the calculation of a stationary temperature field and the subsequent determination of thermoelastic deformations. It is established that, despite the significant magnitude of thermal deformations, their consistent direction leads to a slight resulting change in the working gaps. Based on the vector analysis of displacement fields, a method for assigning minimum safe operational gaps is proposed. The developed approach makes it possible to optimize the design of gerotor compressors by assigning gaps without the risk of jamming, which leads to increased energy efficiency.

героторный винтовой компрессортепловые деформациироторывнутреннее зацеплениезазорыконечно-элементный анализANSYSgerotor screw compressorthermal deformationsrotorsinternal engagementgapsfinite element analysisANSYSReferencesСакун И. А. Винтовые компрессоры: основы теории, методы расчета, конструкции. Ленинград: Машиностроение, 1970. 400 с.Sakun I. A. Vintovyye kompressory: оsnovy teorii, metody rascheta, konstruktsii [Screw compressors: Fundamentals of theory, calculation methods, design]. Leningrad, 1970. 400 p. (In Russ.).Wang Y., Xiong L., Feng D., Research Progress on the Manufacturing of Screw-Shaped Parts in Screw Compressors. Applied Sciences. 2024. Vol. 14, no 5. P. 1945. DOI: 10.3390/app14051945.Wang Y., Xiong L., Feng D., Research Progress on the Manufacturing of Screw-Shaped Parts in Screw Compressors. Applied Sciences. 2024. Vol. 14, no 5. P. 1945. DOI: 10.3390/app14051945.Пронин В. А., Жигновская Д. В., Цветков В. А., Кованов А. В. Методы численного моделирования тепловых деформаций рабочих органов винтового однороторного компрессора // Вестник Международной академии холода. 2021. № 4. С. 12–17. DOI: 10.17586/1606‑4313‑2021‑20‑4-12-17. EDN: RPPFXO.Pronin V. A., Zhignovskaya D. V., Tsvetkov V. A., Kovanov A. V. Metody chislennogo modelirovaniya teplovykh deformatsiy rabochikh organov vintovogo odnorotornogo kompressora [Methods of numerical simulating thermal deformations of working bodies for a screw single-rotor compressor]. Vestnik Mezhdunarodnoy akademii kholoda. Journal of International Academy of Refrigeration. 2021. No. 4. P. 12–17. DOI: 10.17586/1606‑4313‑2021‑20‑4-12-17. EDN: RPPFXO. (In Russ.).Zhang Z., Wu W. Numerical investigation of thermal deformation of meshing pairs in single screw compressor. Applied Thermal Engineering. 2021. Vol. 188. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2021.116614.Zhang Z., Wu W. Numerical investigation of thermal deformation of meshing pairs in single screw compressor. Applied Thermal Engineering. 2021. Vol. 188. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2021.116614.Пронин В. А., Белов П. А., Цветков В. А. [и др.]. Профилирование рабочих органов героторного винтового компрессора // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2025. Т. 9, № 2. С. 5–12. DOI: 10.25206/2588-0373-2025-9-2-5-12. EDN: YIUTDG.Pronin V. A., Belov P. A., Tsvetkov V. A. [et al.]. Profilirovaniye rabochikh organov gerotornogo vintovogo kompressora [Profiling of operating elements of gerotor screw compressor]. Omskiy nauchnyy vestnik. Ser. Aviatsionno-raketnoye i energeticheskoye mashinostroyeniye. Omsk Scientific Bulletin. Series AviationRocket and Power Engineering. 2025. Vol. 9, no. 2. P. 5–12. DOI: 10.25206/2588-0373-2025-9-2-5-12. EDN: YIUTDG. (In Russ.).Li D., He Z., Chen X. [et al.]. Meshing pair geometry of the intersecting-axis internally geared screw compressor. International Journal of Refrigeration. 2025. Vol. 169. P. 166–183. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2024.10.012.Li D., He Z., Chen X. [et al.]. Meshing pair geometry of the intersecting-axis internally geared screw compressor. International Journal of Refrigeration. 2025. Vol. 169. P. 166–183. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2024.10.012.Hsieh C. F., Chang T. L., Yang Y. T. Influence of span angle variations on fluid flow characteristics in gerotor screw vacuum pumps. Journal of Fluids Engineering. 2025. Vol. 147, no. 12. P. 124501. DOI: 10.1115/1.4068760.Hsieh C. F., Chang T. L., Yang Y. T. Influence of span angle variations on fluid flow characteristics in gerotor screw vacuum pumps. Journal of Fluids Engineering. 2025. Vol. 147, no. 12. P. 124501. DOI: 10.1115/1.4068760.Lu Y., Balodimos N., Calder B. [et al.]. Experimental Study of conical rotary compressor for high pressure ratio applications. 13th International Conference on Compressors and their Systems. ICCS 2023. Springer Proceedings in Energy. Springer, Cham. 2023. P. 515–525. DOI: 10.1007/978-3-031-42663-6_42.Lu Y., Balodimos N., Calder B. [et al.]. Experimental Study of conical rotary compressor for high pressure ratio applications. 13th International Conference on Compressors and their Systems. ICCS 2023. Springer Proceedings in Energy. Springer, Cham. 2023. P. 515–525. DOI: 10.1007/978-3-031-42663-6_42.Tsvetkov V. A., Pronin V. A., Zhilkin A. Y. [et al.]. Theoretical confirmation of energy-efficient regulation of volumetric capacity of a screw single-rotor compressor by a regulator in the form of a rotary control ring. 11th International Conference on Industrial Engineering ICIE 2025. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham. 2026. P. 83–94. DOI: 10.1007/978-3-032-04273-6_8.Tsvetkov V. A., Pronin V. A., Zhilkin A. Y. [et al.]. Theoretical confirmation of energy-efficient regulation of volumetric capacity of a screw single-rotor compressor by a regulator in the form of a rotary control ring. 11th International Conference on Industrial Engineering ICIE 2025. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham. 2026. P. 83–94. DOI: 10.1007/978-3-032-04273-6_8.Tsvetkov V. A., Pronin V. A., Kovanov A. V. [et al.]. Design improvement of the In-Built regulator of volumetric capacity of single screw compressor. 10th International Conference on Industrial Engineering. ICIE 2025. Lecture Notes in Mechanical Engineering. 2024. P. 49–59. DOI: 10.1007/978-3-031-65870-9_6.Tsvetkov V. A., Pronin V. A., Kovanov A. V. [et al.]. Design improvement of the In-Built regulator of volumetric capacity of single screw compressor. 10th International Conference on Industrial Engineering. ICIE 2025. Lecture Notes in Mechanical Engineering. 2024. P. 49–59. DOI: 10.1007/978-3-031-65870-9_6.Цветков В. А., Пронин В. А., Иванов Л. В., Белов П. А. Совершенствование конструкции внутреннего регулятора объемной производительности винтового однороторного компрессора // Вестник Международной академии холода. 2024. № 2. С. 3–12. DOI: 10.17586/1606-4313-2024-23-2-3-12. EDN: JTLBCK.Tsvetkov V. A., Pronin V. A., Ivanov L. V., Belov P. A. Sovershenstvovaniye konstruktsii vnutrennego regulyatora ob”yemnoy proizvoditel’nosti vintovogo odnorotornogo kompressora [Improving design of internal regulator of volumetric capacity for a screw single-rotor compressor]. Vestnik Mezhdunarodnoy akademii kholoda. Journal of International Academy of Refrigeration. 2024. No. 2. P. 3–12. DOI: 10.17586/1606-4313-2024-23-2-3-12. EDN: JTLBCK. (In Russ.).Chuang W., Bingqi W., Mingkun L., Ziwen X. A review of recent research and application progress in screw machines. Machines. 2022. Vol. 10, no. 1. P. 22. DOI: 10.3390/machines10010062.Chuang W., Bingqi W., Mingkun L., Ziwen X. A review of recent research and application progress in screw machines. Machines. 2022. Vol. 10, no. 1. P. 22. DOI: 10.3390/machines10010062.Позевалкин В. В., Поляков А. Н. Реализация цифровой модели тепловых характеристик на основе температурного поля // Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don). 2024. Т. 24, № 2. С. 178–189. DOI: 10.23947/2687-1653-2024-24-2-178-189. EDN: EYQXQZ.Pozevalkin V. V., Polyakov A. N. Realizatsiya tsifrovoy modeli teplovykh kharakteristik na osnove temperaturnogo polya [Implementation of a digital model of thermal characteristics based on the temperature field]. Advanced Engineering Research (Rostovon-Don). 2024. Vol. 24, no. 2. P. 178–189. DOI: 10.23947/2687-1653-2024-24-2-178-189. EDN: EYQXQZ. (In Russ.).Yakupov R. R., Mustafin T. N., Khamidullin M. S., Khisameev I. G., Alyayev V. A. Comparison of Methods for Calculating Thermal Deformations of Screw Compressor Rotors. AIP Conference Proceedings. 2020 Vol. 2285. 030017. DOI: 10.1063/5.0027287.Yakupov R. R., Mustafin T. N., Khamidullin M. S., Khisameev I. G., Alyayev V. A. Comparison of Methods for Calculating Thermal Deformations of Screw Compressor Rotors. AIP Conference Proceedings. 2020 Vol. 2285. 030017. DOI: 10.1063/5.0027287.Осипов Э. В., Хоменко А. А., Осипова Л. Э. Применение специализированных программных комплексов для автоматизации инженерных расчетов оборудования // Программные продукты и системы. 2025. Т. 38, № 1. С. 134–142. DOI: 10.15827/0236-235X.149.134-142. EDN: RPIPIS.Osipov E. V., Khomenko A. A., Osipova L. E. Primeneniye spetsializirovannykh programmnykh kompleksov dlya avtomatizatsii inzhenernykh raschetov oborudovaniya [Applying specialized software packages to automate engineering equipment calculation]. Programmnyye produkty i sistemy. Software & Systems. 2025. Vol. 38, no. 1. P. 134–142. DOI: 10.15827/0236-235X.149.134-142. EDN: RPIPIS. (In Russ.).Френкель М. И. Поршневые компрессоры. Теория, конструкции и основы проектирования. 3-е изд., перераб. и доп. Москва: Машиностроение, 1969. 744 с.Frenkel M. I. Porshnevyye kompressory. Teoriya, konstruktsii i osnovy proyektirovaniya. 3rd ed., revised and supplemented. Moscow, 1969. 744 p. (In Russ.).Mitrofanov A. P., Zhitnikov K. O. [et al.]. Experimental modeling of contact interaction of an abrasive tool with machined material for rational choice of lubricating medium. Journal of Friction and Wear. 2025. Vol. 46, no. 2. P. 177–187. DOI: 10.3103/S1068366625700357.Mitrofanov A. P., Zhitnikov K. O. [et al.]. Experimental modeling of contact interaction of an abrasive tool with machined material for rational choice of lubricating medium. Journal of Friction and Wear. 2025. Vol. 46, no. 2. P. 177–187. DOI: 10.3103/S1068366625700357.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.