往复压缩机气阀节流对气量的影响研究及仿真模拟

2019-09-04饶金强潘树林黄福川

石油化工设备技术 2019年5期

饶金强，潘树林，李伟，黄福川

(1. 广西大学机械工程学院，广西南宁 530004； 2. 广西石化资源加工与过程强化重点实验室，广西南宁 530004)

往复压缩机工作时，气体的压缩是在与外界不相联系的工作容积中完成的，为使低压气体和高压气体分别有规律性地进入和排出工作容积，压缩机中必须设有专门的气体控制器件——压缩机气阀。气阀是往复压缩机的重要组成部件之一，自往复压缩机诞生以来，它就一直是被研究的对象。最开始使用的是菌状阀，但随着容积流量的增加，压缩机中逐渐引入网状阀和环状阀等。气阀功耗约占总功的5%～20%，可对压缩机的经济性产生极大影响【1】。近年来，通过对气阀的改造，降低了气阀能耗，延长了使用寿命，大大提升了压缩机的可靠性和经济性。

Gyaunke等【2】使用2个无量纲参数，比较不同气体在不同气阀直径下产生的能量损失，发现改变气阀有效进气面积可以降低气阀能量损失和压力降。唐翠华等【3】通过研究发现：气阀压力系数受到全关弹簧力的制约，几乎与阀片的升程无关，全关弹簧力越小，压力系数越大。潘树林和莫乾赐等【4】通过研究发现：气阀有效通流面积过小和气阀弹簧力严重不匹配时，压缩机的容积流量会急剧减小。潘树林和广柯平【5】提出在压比较大时，采取吸气阀总有效面积大于排气阀总有效面积的措施可以减小气阀总功耗。孙引朝等【6】建立了气瓶充气过程的热力学模型，对充气过程气瓶内的气体参数进行数值模拟，并与实际实验结果进行对比，验证了该模型在一定范围内可靠。Bhakta等【7】建立了简化的气阀动力学方程，通过传递函数将压力脉动装置的测量数据转换为实际的阀片运动特性，可以缩短气阀的设计周期。谭琴等【8】通过对压缩机环状阀流量系数影响因素进行分析，总结出了环状阀流量系数随升程和通道宽度比、阀座通道宽度、密封边宽度的变化规律。

在生产中，往复压缩机的气量经常偏低【9】，而排气温度经常高于设计值【10】，其主要原因有：气阀在设计、选型上不合理，在运行过程中出现故障。国内外学者对气阀设计和功耗进行深入研究后，提出了很多方法和措施改进气阀、降低气阀功耗，但并未明确气阀功耗对气量的影响。事实上，由气阀节流作用引起的功耗会使压缩机气缸内吸气终了温度高于设计值，排气量低于设计值。

本文详细阐述了气阀节流对气量的影响机理，分析出吸气过程中吸收的热量与气阀功耗有关，为压缩机设计时温度系数的计算提供依据。在气阀功耗简便计算的基础上，建立温度系数和气阀功耗的表达式，并使用CFD模拟的方式验证了温度系数简便计算式的准确性。

1 气阀节流对气量的影响机理

气阀对实际进气量产生的影响可以用4个系数描述，分别是泄漏系数、压力系数、容积系数和温度系数。压缩机工作中，吸气时排气阀泄漏、压缩和排气时吸气阀泄漏都会使压缩机实际气量变小，因此气阀气密性越好，泄漏系数越大。压缩机气阀通常为自动阀，由阀片两侧的压差和弹簧力控制气阀的开启和闭合，克服弹簧力开启阀片所需的压差越小，压力系数越大。压缩机排气时，所有气阀阀座流道形成的腔室会与气缸连通，从而增大气缸的相对余隙容积，使容积系数减小。温度系数的大小取决于进气过程中传给气体的热量，热量主要来源有：吸气过程中，气体与高温璧面、活塞等的热量传递；进气时，气体因气阀节流作用产生流动阻力损失，因流动阻力所消耗的功变成热量，对气缸内气体有加热作用【11】，进而使气体温度上升、体积增大，吸气量减小。

常见的气阀由阀座、弹簧、阀片、升程限制器和缓冲片等组成。阀门闭合状态下，阀片和阀座通过密封面接触。作为气体控制元件，气体在气阀内流动的过程中会因流道拐弯、通道面积发生变化而产生节流作用。气阀节流作用的大小和气阀的类型、结构形式、气阀流道面积等因素有关。气流通过直流阀时比回流阀折转小，因此直流阀的通流作用强，节流作用弱；气阀安装面积相同时，环状阀和网状阀比菌状阀的有效通流面积大；另外弹簧的刚度和预压缩量及阀片密封边面积都会对气阀节流作用产生影响。

压缩机进气通道中，流道的喉部在吸气阀有效通流截面积最小处，气体流经该喉部时，产生剧烈的节流作用，使得流动阻力损失增大、气体压力减小，而压力损失所耗散的功变成热量被气体吸收，因此气缸内气体吸气终了温度高于吸气温度。根据气体状态方程可得出：在气缸内气体压力和容积一定时，气体吸气终了温度升高，实际气量减小。对压缩机吸气全过程列出能量守恒方程有：

Qa=m0(ua-us)

(1)

式中：Qa——吸气过程气体吸收的热量，J;

m0——吸气终了气体质量，kg;

ua——气缸内吸气终了时气体的比内能，

J/kg;

us——吸入气体的比内能，J/kg。

2 气阀功耗的简便计算

在正常工况下，往复压缩机吸气过程比较复杂，尤其是阀片可能出现来回颤动，气体密度会随着压力而发生变化，导致计算极为复杂。为了便于计算，需要做合理的假设，并在简化后，建立相应的数学模型。假设如下：a)压缩机内气体视为理想气体；b)吸气过程与外界绝热、无泄漏；c)工作过程中不考虑阀片运动情况，视为完全开启或完全关闭；d)当阀隙马赫数小于0.3时，气体密度变化小于4.4%，气体密度可视为定值。在上述假设的前提下，可以认为在极短的时间内，流过吸气阀的气体体积与压缩机中气缸内增大的容积相等。则平均相对压力损失计算公式如下：

(2)

式中：δ——平均相对压力损失；

k——绝热指数；

M——阀隙马赫数；

x1、x2——气阀开启、关闭时对应的活塞位移，m；

νp——活塞瞬时速度，m/s；

νm——活塞平均速度，m/s。

活塞瞬时速度计算公式为：

(3)

式中：r——曲柄半径，m；

ω——曲柄旋转角速度，rad/s；

θ——曲柄转角，rad；

λ——连杆比。

为表述简明，引入函数g：

(4)

式(4)中，忽略λ2及更高次的项，积分得：

(5)

式中：θ1、θ2——气阀开启角、关闭角(其中计算式(6)中θ2为π)，rad。

不难分析，进气过程压力损失所消耗的功即为吸气阀功耗，结合压缩机示功图【1】也不难得出相同的结论，则吸气阀产生的功耗为：

Ws=psλvVhδs

(6)

式中：Ws——吸气阀功耗，J;

ps——吸气压力，Pa；

λv——容积系数；

Vh——气缸行程容积，m3；

δs——吸气阀平均相对压力损失。

3 往复压缩机温度系数计算

在得出吸气阀功耗简便算法后，可以继续推导温度系数和气阀功耗之间的关系。由于吸气时间极短，因此吸气过程气体与缸壁和活塞等热交换可以忽略，吸气过程气体吸收的热量气阀只考虑气阀节流作用所消耗的功，也即吸气阀所消耗的功，因此有：

Qa=Ws

(7)

吸气终了时，气缸内的气体状态方程为：

paVh=m0RgTa

(8)

式中：pa——气缸内吸气终了压力,MPa；

Rg——气体常数;

Ta——气缸内吸气终了温度，℃。

(9)

式中：λT——温度系数；

Ts——吸气温度，℃。

将式(7)代入到式(9)中，可得到温度系数和气阀功耗的表达式：

(10)

当忽略吸气过程的传热时，通过式(10)可知：往复压缩机工作时，吸气压力和气缸的行程容积为定值，温度系数与气阀功耗有关，并且温度系数随气阀功耗的增大而减小。通过式(9)可知，影响气阀功耗的诸多因素有：气阀结构、气体性质、连杆比、相对余隙容积、压比和弹簧力等【12】。

4 气阀节流作用的模拟验证

前文阐述了气阀节流作用会使吸气终了温度上升，并得到温度系数的简便计算，但使用了部分假设和简化，需要对上述结论进行检验。验证的方法有实验和计算机模拟仿真2种，由于实验需要场地和诸多实验设备，远不如计算机模拟仿真便捷，因此本文采用模拟仿真的方式。

计算流体力学是经典流体力学和数值方法交叉形成的新型学科，简称CFD。虽然离散原理的不同形成了CFD不同的数值解法，但都是在时间上定量地描述空间流场的数值解，目前有限体积法应用最为广泛。简而言之，CFD就是利用现代计算机技术模拟流体的实际流动，相当于在计算机上做“虚拟”实验。随着计算机技术的迅猛发展，CFD也能实现足够的精度和准确性供工业应用。

环状阀有较好的适应性和可靠性，阀片形状简单且相互独立、制造和加工成本低、强度和抗疲劳性好，因此我国的往复式压缩机使用环状阀较多。本文以6M50-305/320氮氢气压缩机一级气阀为例，验证上述温度系数的准确性。该压缩机主要参数为：转速980 r/min，行程480 mm,活塞杆直径φ120 mm,连杆长度1 200 mm,进气压力0.12 MPa，进气温度25 ℃，排气压力0.3115 MPa，相对余隙0.08。进气阀具体参数见表1。

表1 6M50-305/320 氮氢气压缩机一级进气阀参数

为检验气体流经气阀前后因节流作用导致温度上升情况，可以对气阀采用专门模型进行仿真模拟。气阀流道数量、导向凹凸和连接筋板所占通道面积比例较小，对气阀节流作用影响不大，因此气阀实体模型可以做适当的简化。简化后的模型可以使仿真模拟的网格划分容易且数量少，可大大加快模拟计算速度以及提高精度。精简的内容包括：流道数量设置为2，连接筋减少到4个，去掉导向凸台；采用静态模拟，故不设置阀片。

根据上文所述，使用SolidWorks软件建立实体三维模型，气阀完整的模型如图1所示， 1/4气阀模型如图2所示。SolidWorks中Flow Simulation 模块可用于CFD计算进行流体运动仿真，具有操作简便、计算过程占用系统资源少、运算速度快且准确的优势。