4M12－45／210空气压缩机四级气阀改造

潘仲高

（成都市博磊化工机械有限公司，四川 温江 611130）

4M12－45／210空气压缩机为国产大型5级4列对称平衡型压缩机，单机设计年供高压空气达2000×104m3，目前国内多家大型科研机构采用该型号压缩机。四川安县风洞中心装备有2台该型号压缩机，正常生产情况下，一开一备。该压缩机具有结构紧凑、检修方便等优点，但通过调研发现，这种压缩机也存在不少不足之处，如排气温度偏高、气阀使用寿命较短等。其中最主要的是，该型号压缩机的四级气阀，特别是四级吸气阀频繁出现短时间内阀片、弹簧断裂，阀座密封面出现众多凹坑等问题。据统计，四级吸气阀的平均使用寿命不到l5d。气阀的频繁损坏，导致压缩机需要经常倒车检修，高压空气输送量不稳定，高压空气储气系统压力波动大，压缩机维修费用上升。此外，该压缩机四级排气温度偏高，表明能耗偏大，经济性较差。压缩机排气温度过高，往往是气流流经气阀阻力损失过大造成的。为提高气阀与压缩机的经济性与可靠性，确保吹风实验长期稳定进行，应四川安县风洞中心的邀请，我们对该压缩机四级气阀进行改造。

1 问题分析

4M12－45／210压缩机四级基本情况如下。

压缩机转速为333r／min，行程为320mm，四五级同为一列，四级为轴侧单作用气缸，缸径为φ185mm；五级为盖侧单作用气缸，缸径为φ90mm。活塞杆直径为φ70mm，四五级缸间为平衡段，平衡压力为五级排气压力，四级气缸轴侧配置1个吸气阀、1个排气阀。每个阀盖上配有3个M20顶丝，见图1。设计工况下，压缩机四级吸气压力（表压）为2.5MPa，吸气温度为50℃，排气压力（表压）为8.1MPa，排气温度为164℃。4M12－45／210压缩机随机配备的四级吸气阀结构如图2，为闭式气垫阀。气阀阀座主要结构参数如下：凸缘高度为19mm，总厚度为36mm；通流环槽数为3，各环槽中径分别为φ130mm、φ95mm、φ60mm，环槽上部分宽为7mm、深为8mm，环槽底部部分宽为10mm、深为28mm，并设有加强筋。升程限制器主要结构参数如下：总厚度为29mm，通流环槽数为3，通流环槽上部分宽为4.5mm、深7mm，下部分宽为7mm、深22mm，并设有加强筋。气阀阀片共3片，各片规格分别为φ140／φ120mm、φ105／φ85mm 及φ70／φ50mm，各阀片厚度均为3mm。气阀升程为1.5mm。

图1 四级吸气阀安装示意图

图2 随机配备的四级吸气阀结构图

根据上述数据，计算4M12－45／210气阀的功能参数如表1。

表1 4M12－45／210气阀的功能参数

从表1的计算可以看出，原气阀设计存在以下不合理之处。

（1）气流流经阀隙时速度过大。气流流经气阀时，将经过三处横截面较小的通道，分别为阀座通道、阀隙通道（即升程截面）和升程限制器通道。其中，升程限制器通道面积比其余二处通道面积大，气流流经该处时的速度最小，因此，该通道对气阀的工作效率影响较小，设计气阀时可以不考虑。其次是阀座通道，它的通流截面小于限制器的通流截面，同时，气流流经该处的速度与阀片的使用寿命息息相关，所以，在气阀设计中应尽量选用较低的阀座通道流速。至于阀隙通道，其通流截面通常最小，气流流经该处的速度最大，是气阀设计中应优先控制的流速，特称为阀隙速度。其值决定了气流流经气阀时能量损失的大小，也决定了气阀比弹簧力的大小（改造前后气阀比弹簧力的计算见表2、3）。阀隙速度越小，气流流经气阀时的能量损失越小，气阀的比弹簧力越小，但其大小受气阀的安装尺寸制约，考虑到气阀设计的经济性，对不同压力下的环状阀和网状阀的阀隙流速，我们推荐按表4的数值选取。

表2 改造前4M12－45／210气阀阀片比弹簧力计算

表3 改造后4M12－45／210气阀阀片比弹簧力计算

图3 进气阀μ值的选用范围（压力单位为105 N／m2）

图4 排气阀μ值的选用范围（压力单位为105 N／m2）

图5 流量系数av

图6 推力系数β

原气阀的平均阀隙速度计算值为44.8m／s，显然超过了推荐值（20～35m／s）。

（2）气阀全开时阀座通道单位面积上的弹簧力（简称比弹簧力）远远超过推荐值，气阀弹簧力是影响气阀能量损失和阀片寿命的主要因素。它分为气阀全闭弹簧力和气阀全开弹簧力。气阀全闭弹簧力，主要关系到气阀开启的时间；气阀全开弹簧力，主要关系到阀片关闭的及时性和阀片对升程限制器的冲击。气阀全闭时的弹簧力以小为宜，但不能过大和过小。弹簧力过小，导致阀片滞后关闭，使阀片冲向阀座速度增加，从而降低阀片的使用寿命，而且还使得气体 “回流”，影响压缩机效率。气阀全开时的弹簧力则要大，同样也不能过大；若弹簧力过大，大到气流压力不足以克服弹簧力将阀片 “贴于”升程限制器上时阀片便在阀座与升程限制器之间来回振动，使有限的气阀缝隙面积不能充分利用，增加气阀额外的能量损失，降低压缩机效率，而且在关闭时，阀片以较大的速度冲向阀座，会大大缩短阀片的使用寿命。理想的情况是，随着阀片的开启，弹簧力呈非线性增大，在气阀全开时有最大值，保证阀片开启、关闭的及时性和迅速性。

由此可见，正确选择弹簧力是很重要的，弹簧力的大小与压缩机转数、气阀工作压力、气阀中气体的流速、气阀运动零件质量、阀片升程等因素有关，很难用计算方法来确定。目前已有的计算方法，其结果与实际要求相差也较大。在统计和分析了我国现在压缩机气阀弹簧力的范围和阀的使用情况后，对于大、中型固定式多级机（转数低于500r／min），推荐按表5选取。

表4 阀隙通道的平均气流速度

表5 气阀全开时的弹簧力

原气阀全开时阀座通道单位面积上的弹簧力为36760N／m2，而推荐值为9807～19614N／m2，显然，该值远远超过了推荐值。

2 改造措施及效果

过快的平均阀隙速度导致了远远超过推荐值的比弹簧力，超大的比弹簧力就是引起气阀短时间内阀片、弹簧断裂，阀座密封面出现众多凹坑的根本原因。为了从源头上解决4M12－45／210四级气阀寿命短的难题，我们将该压缩机的四级吸、排气阀阀片结构型式由环状改为网状，并将原来的阀片宽通道改为窄通道，将阀片的通道数由3变为4。同时，将气阀的升程从1.5mm提高至2mm。改造后四级吸气阀结构如图7。气阀改造后，气阀组件的安装尺寸不变，因此改造后气阀装入压缩机没有任何问题。改造后气阀阀座主要结构参数如下：凸缘高度为19mm，总厚度为36mm，通流环槽数为4，各环槽中径分别为φ137.5mm、φ112.5mm、φ87.5mm 及φ62.5mm，环槽上部分宽为4.5mm、深为8mm，环槽底部部分宽为7mm、深为28mm，并设有加强筋。升程限制器主要结构参数如下：总厚度为29mm，通流环槽数为4，通流环槽上部分宽为4.5mm、深7mm，下部分宽为7mm、深22mm，并设有加强筋。气阀阀片为网状，由四环片组成，见图8。各环规格分别为φ145／φ130mm、φ120／φ105mm、φ95／φ80mm 及 φ70／φ55mm，各阀片厚度均为3mm，气阀升程为2mm。

图7 改造后四级吸气阀结构图

图8 改造后四级气阀网状阀片

将改造后气阀各参数代入相关公式进行计算，计算结果见表1。对比改造前后计算结果，可以发现改造后的气阀有效避免了原气阀设计的不合理处：① 将气流流经阀隙时速度由原来的44.8m／s降为32.55m／s，满足了基本的许用要求；②较大幅度降低了气阀全开时阀座通道单位面积上的弹簧力（比弹簧力），原气阀全开时阀座通道单位面积上的弹簧力为36760N／m2，改造后气阀全开时阀座通道单位面积上的弹簧力为19320N／m2，后者已在推荐范围 （9807～19614N／m2）内。从计算结果可以看出，改造气阀能满足压缩机的长周期运行。改造后的气阀在四川安县风洞中心投入使用。同一台压缩机装上原随机配备的气阀时，四级吸气压力（表压）为2.5MPa、吸气温度为43℃，排气压力（表压）为7.9MPa、排气温度为173℃；在各进气工况不变的情况下，装上改造气阀后，四级吸气压力（表压）为2.5MPa、吸气温度为43℃，排气压力（表压）为8.1MPa、排气温度为160℃。众所周知，压缩机各级排气温度同该级气体的压缩比成正比，同时也与气流流经该级气阀的阻力损失成正比，本压缩机的四级气阀改造后，压缩比由3.08升为3.15，但排气温度反而降低了13℃。这表明，气流流经改造后的气阀时，阻力损失明显下降。改造后四级气阀投入运行三年后，使用情况统计如下：气阀组件整体的使用寿命平均为六个月，弹簧每六月更换一次，阀片每一年更换一次，限制器和阀座每两年更换一次。显然，改造后气阀各零部件使用寿命远远超过改造前，本次改造取得了显著的效果。

3 结 语

通过对4M12－45／210空气压缩机四级气阀结构型式、流道等方面的改进，完全解决了四级气阀短时间内阀片、弹簧断裂，阀座密封面出现众多凹坑等问题，同时还降低了压缩机四级排气温度，确保了压缩机的长周期稳定运行，大幅度提升了压缩机的经济性与可靠性，从而确保吹风实验长期稳定地进行。该项目还被评为该公司技术革新一等奖，参与该项目改造的相关人员得到了上级领导的嘉奖，公司上下对我们的改造效果给予极高评价。同时，通过行业交流，云南、河南等企业同型号压缩机也采用此法改造，同样产生了很好的效果。