活塞压缩机工作过程瞬态温度场数值分析

高岩

（中油辽河工程有限公司，辽宁盘锦124010）

活塞压缩机工作过程瞬态温度场数值分析

高岩

（中油辽河工程有限公司，辽宁盘锦124010）

建立了活塞压缩机工作过程的传热模型，并应用有限元理论对其瞬态温度场进行了数值模拟，对各瞬时活塞环的温度数据进行拟合，得出了活塞环瞬时最高温度与曲柄转角的关系线。

活塞压缩机；耦合系统；瞬态温度场；活塞环；有限单元法

1 引言

活塞压缩机广泛应用于国防、机械、冶金、化工等部门，目前逐步向高产、低耗、无油润滑等方向发展。压缩机材料的热疲劳直接导致零件的非正常磨损，是影响压缩机的性能关键因素之一。因此，压缩机工作过程的传热问题是一个非常重要的研究课题。

活塞压缩机活塞环的开口间隙取决于安装温度与工作温度之差，最佳开口间隙应既保证正常工作时开口闭合，减少由于开口间隙造成的泄漏，又不会造成活塞环胀死在气缸壁上，产生过大的摩擦力造成缸壁破裂。特别是在无油润滑压缩机中，活塞环由自润滑材料制成，材料的膨胀系数很大，材料特性受温度的影响很大。因此如何确定活塞环的工作温度对于其设计或选用有很重要的工程价值。但是由于活塞环与活塞一起在气缸内作往复运动，并且活塞环与活塞环槽之间又有相对运动，因此无法用实测的方法确定活塞环的瞬态温度。

本文针对以上的工程要求，建立了活塞压缩机的传热模型，并应用ANAYS有限元理论针对活塞压缩机在工作过程活塞环的温度场进行了数值模拟，对瞬时活塞环的温度数据进行拟合，分析得出活塞环的温度变化曲线。

2 模型假设

以往针对活塞压缩机的传热分析都是将活塞、缸套、活塞环等分割成单个研究对象，采用理论计算的方式进行研究。在不考虑活塞环与缸套之间的摩擦，以及活塞环与缸套之间边界条件的设置等因素的理论计算，计算结果与试验结果出入较大。尤其是活塞环等关键部位，往往无法得到令人满意的计算结果。

本文将活塞、活塞环及缸套作为一个整体耦合系统，把各部件之间的传热影响处理为内部热传递，而只对耦合系统的外部边界进行力学加载，避免了活塞环与缸套之间的边界条件设置难度较高的问题。

考虑到瞬态问题研究的复杂性，有必要对压缩机的计算工况进行简化。假设：

（1）考虑到活塞组和气缸套的几何对称性，采用二维轴对称非稳态传热数学模型来描述实际情况；

（2）工作气体是均匀的，温度在控制容积内的各空间位置处相等；

（3）忽略活塞环与气体热辐射的影响；

（4）冷却水的温度从进口到出口沿气缸外壁线性变化；

（5）控制容积内的气体向环隙的泄漏过程为等温过程；

（6）忽略筋板对活塞传热的影响。

3 轴对称不稳定热的有限元法

非稳态无内热源轴对称温度场的控制方程为

初始条件为

其边界条件为

式中 T——温度分布函数

t——时间坐标

z，r——轴向和径向坐标

k——导热系数

Cp——比热

ρ——密度

f（z，r）——系统的初始温度分布

n——结构表面的法线方向

p——边界（方向为逆时针）

Tg（z，r，t）——周围介质温度函数

Tw（z，r，t）——结构表面的温度分布函数

在基本方程中，仅考虑热传导系数k与温度无关的情况。根据变分原理，可得到轴对称不稳定热传导问题的有限元方程为［2］

式中 ［K］——系统热传导刚度矩阵

［T］——温度矩阵

［N］——变温矩阵

［Q］——热流矩阵

求解上述问题时，在空间上使用有限元法，在时间上使用差分法。令Δt为求解时间步长，得到求解不稳定热传导问题的方程

式中 ｛T｝t-Δt——为上一时间步长内求出的温度场

4 传热边界条件、初始条件的处理和确定

4.1 边界条件的处理

假设固定在某一瞬间，则耦合系统整体是由活塞、活塞环、气缸套3个部分组成。外部边界条件由气体对流换热区及冷却水换热区2部分组成。

气体对流换热区包括：活塞盖侧面和轴侧面、气缸套暴露在工作气体范围内的部分以及活塞环与活塞、缸壁组成的环隙区；冷却水换热区为气缸套外壁和冷却水相接触的整体外表面。气体对流换热区随气体温度变化而作瞬时变化；冷却水换热区为缸套外壁和冷却水对流换热的相对稳定区域，其换热系数视层流或湍流的情况而定。

对活塞来说，其盖侧面及第一道活塞环至盖侧面之间的活塞侧面始终与工作气体相接触，其传热边界条件为气体的对流换热，气体瞬时温度视工作过程而定，对流换热系数采用经验公式

式中 pg——控制容积内气体的瞬时压力

Tg——控制容积内气体的瞬时温度

Vp——活塞的平均速度

而活塞的底面至最后一道活塞环处活塞侧面的换热情况，视不同形式的压缩机，有不同的情况，如级差式为大气对流换热、双作用式换热情况与活塞顶面相反。活塞在环隙的换热处理为环槽内强制对流换热，活塞其他部分的换热为耦合系统的内部传热，无需考虑。

图1 气缸边界划分示意图

对气缸套来说，它的瞬态传热边界条件可分为4个区域，如图1所示。

第1区域，它时而暴露在气体中，时而又被活塞环所覆盖，它的瞬时传热边界条件取决于缸内气体的瞬时温度和瞬时对流换热系数；第2区域，环隙气体始终与活塞、活塞环及缸壁换热，一般为层流换热。同时活塞环与缸壁又由于相对运动产生摩擦热，这种摩擦热的大小随工作气体压力的变化而呈现周期性，摩擦热的位置随活塞的运动而改变；第3区域，视气缸形式而定。对级差式气缸，它始终与平衡腔气体接触，换热可视为自然对流换热。对双作用气缸来说，它始终与工作气体接触，其内气体的工作过程与第1区域相反；第4区域，缸套外壁始终与冷却水接触，其瞬时传热边界条件视冷却水层流或湍流的情况而定，本文按照冷却水层流状态设定边界条件。

对活塞环来说，不同工作过程中它与环槽接触的位置不同。在整个工作过程中它始终与环隙气体换热，同时有摩擦热流入，与缸壁的导热属于内部传热，在耦合系统中无需考虑。

4.2 初始条件的确定

以耦合系统正常工作时的稳态温度场作为瞬态计算的近似初始条件。

4.3 靡擦热的确定

活塞环与气缸壁之间由于往复运动产生摩擦热，并由于活塞环与气缸的材料不同，摩擦热在它们之间的分配是不均匀的，这种分配关系与材料的物性有关。

活塞环与气缸套间的摩擦热相当于在活塞环与气缸套之间有一个连续放热的平面热源，可以把它看成是瞬时热源产生的热量在时间上的叠加。因此，瞬时热源与连续热源产生的热量在活塞环与气缸套间的分配关系是一致的。

由此可确定摩擦热Qf在活塞环与气缸套中的分配为Q1和Q2［3］

即

式中 λ1，λ2——活塞环、缸套的导热系数

ρ1，ρ2——活塞环、缸套的密度

Cp1，Cp2——活塞环、缸套的比热

5 计算实例

下面应用有限元理论，利用ANSYS软件的瞬态温度场模拟模块，对5L-16/50型无油润滑活塞压缩机的一级活塞组件与气缸耦合系统在盖侧排气终了、盖侧膨胀终了、盖侧进气终了、盖侧压缩终了等13个工作点的温度场进行模拟。一级气缸为双作用式，主要技术参数为：缸径385 mm；行程为240 mm；转速为428 r/min。

图2为一级耦合系统的有限元网格图，总单元数为11646，总节点数为24497。

图3为一级耦合系统在盖侧压缩终了点时的温度分布情况。θ=0°的位置取为该级气缸轴线与曲柄轴线重合的位置。

图2 一级耦合系统四分之一有限元模型

图3 盖侧压缩终了温度分布

图4 一级系统活塞环最高温度与曲柄转角关系

利用多项式拟合法，对一级系统在各时刻的活塞环最高温度的数据进行处理，得出如图4所示的活塞环瞬时最高温度与曲柄转角之间的关系曲线。

6 结语

本文提出了往复活塞压缩机的二维耦合系统瞬态温度场的分析模型，分析计算中考虑了活塞、活塞环以及气缸套之间摩擦产生的热量，以及在传热过程中的相互作用和影响，通过在模型中加入瞬态温度场，计算后结论与试验结果基本一致。

从图3可以看出，任意瞬时系统温度的最高处始终发生活塞环与缸壁接触的部位，并且在各侧压缩终了时温度达到最高163.9℃，低于活塞环的工作最高温度250℃。

从图4可以看出，活塞环在整个工作过程中的最高温度都是发生在接近死点的位置，即压缩终了时。主要是由于压缩终了时控制容积内气体的温度达到最高，同时压力达到最大，由此产生的摩擦热最多。

因此，采用此种分析方法可以计算得出压缩机系统中各部分的温度场，同时可对于难以实际测量的活塞环区的瞬态温度变化情况进行预测。

［1］白敏丽，蒋惠强，陈家骅.发动机活塞组-缸套整体耦合系统瞬态温度场数值模拟［J］.小型内燃机，1994，23（4）：12-17.

［2］孔祥谦，王传溥.有限单元法在传热学中的应用［M］.北京：科学出版社，1981：37-52.

［3］钱作勤.内燃机动态热负荷及其虚拟故障的仿真［D］.武汉理工大学，2001：42-43.

［4］钱锡俊，陈弘.泵与压缩机［M］.山东：石油大学出版社.

［5］ANSYS14.0理论解析与工程应用实例［M］.北京：机械工业出版社.

NumericalAnalysisofTransientTemperature Field in Working Process of Piston Compressor

GAO Yan
（China Liaohe Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Panjin 124010，China）

The model of heat transfer in piston compressor in working process is set up in this paper.The finite element theory is used to carry on numerical simulation to instantaneous temperature field.Through fitting to the temperature data of every instantaneous piston ring，the relation line of the instantaneous maximum temperature of piston rings and the crank corner is drawn out.

piston compressor；coupling system；transient temperature field；piston ring；finite element method

TH457

A

1006-2971（2014）06-0022-04

高岩（1980-），女，盘锦人，工程师，硕士研究生。E-m a i l：g a o y a n 1121@163.c o m

2014-04-03

21.气源系统中油水分离器起什么作用?

答：在气源系统中，后部冷却器后面一般都设置一只油水分离器，在油水分离器后面才设置储气罐、过滤器及干燥器等设备。

空压机最后一级排出的压缩空气温度可达140～170℃，在这样高的温度下，混合在空气中的水、油杂质主要以气态形式存在，经后部冷却器降温，初步离析了其中的气态水油成分，但大量的液态水雾和油雾还存在于压缩空气中，油水分离器的作用就是进一步分离压缩空气中所含有的直径较大的凝结水滴和浓度较高的液态油雾，使压缩空气得到初步净化。所以油水分离器是为下游其它气源设备提供安全质量进气的第一道保护性屏障。