有阀线性压缩机吸气阀片位移特性的可视化实验

李子成 崔晓钰 丁 磊 沙鑫权 黄 琦 刘少帅 吴亦农

(1 上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093;2 中国科学院上海技术物理研究所 上海 200083)

随着深空探测任务逐渐增多,液氦温区焦耳-汤姆逊(J-T)节流制冷机因可营造可靠稳定的低温环境被广泛使用[1-2]。焦耳-汤姆逊(J-T)节流制冷机由有阀线性压缩机驱动,制冷机的运行性能受到有阀线性压缩机输出性能的影响[3]。阀片作为压缩机中的关键部件,其位移特性会影响压缩机性能[4-5]。

国内外专家学者主要从数值模拟和实验两方面研究阀片运动。H. Bukac[6]搭建了不同气阀等效一维模型来预测阀片运动状态。G. Prater等[7]通过实验方法测得刚度、基本固有频率和等效粘性阻尼比,提高了一维模型的准确性。慕光宇等[8]通过单质点模型揭示了舌簧排气阀升程、阀片厚度、阀孔直径等阀片设计参数对舌簧阀启闭特性的影响。随着计算流体力学技术的发展,采用流固耦合方法,更好地获得流体和阀片相互作用关系,并研究阀片运动细节。Tao Wang等[9]三维流固耦合研究了阀片参数对阀片延迟关闭现象的影响,并通过可视化实验验证了仿真的准确性。张琴等[10]通过数值模拟吸气阀片位移特性,认为吸气阀片位移特性将会对压缩机的吸气量产生影响,进而影响压缩机性能。Wang Yanfeng等[11]利用三维流固耦合仿真观察到阀门间隙流场因伯努利效应而产生的低压区,并通过改变压缩机转速和阀片升程等参数确定了伯努利效应对吸气阀动力学的影响。Wu W. 等[12]通过三维流固耦合研究了不同阀片厚度情况对阀门延迟关闭现象的影响。

国内外的研究主要通过模拟与实验手段分析阀片运动对阀片进行优化,但针对阀片影响压缩机输出性能的实验研究较少。阀片运动和气体流动相互耦合,本文针对有阀线性压缩机吸气阀片位移特性展开可视化研究,分析其对压缩机性能的影响。搭建可视化实验台以测量阀片位移,通过改变吸气阀片厚度、升程和压缩机运行频率,分析吸气阀片不同工况下的位移特性及对压缩机输出性能的影响。

1 理论模型

1.1 阀片位移特性

实验采用氦工质有阀线性压缩机,吸气簧片阀为平动结构,阀组由阀座、阀片和升程限位器组成,其受力示意图如1所示。在气体力Fg的作用下,中心挡板被抬高产生位移xv,当阀片位移大于最大升程hvmax时,因为升程限位器的阻挡作用,阀片位移将被限制在最大升程hvmax处。当气体推力不能克服弹簧力作用时,阀片脱离升程限位器回到阀座,该过程阀片位移可以表示为:

(1)

式中:xv(t)为吸气阀片位移,m;hvmax为阀片最大升程,m;kv为阀片弹簧刚度,N/m;Fg(t)为阀片受到的气体力,N;t为时间,s。

气体力Fg(t)由气体在吸气阀处流动阻力损失所产生的压差决定[13],可表示为:

(2)

式中:β为推力系数;As为阀孔面积,m2;Δp为气缸与吸气腔之间的压力差,Pa;Rso为吸气阀孔半径,m。

气缸与吸气腔之间的压差由工质流经气阀阀隙间的流动损失产生,可表示为:

(3)

式中:ρ为吸气阀腔内的气体密度,kg/m3;ut为流经吸气阀间隙的瞬时气体速度,m/s。

阀隙瞬时气体速度可通过流经气阀间隙的气体体积计算,该部分气体体积可由活塞运动过程中扫过的体积近似得到:

(4)

式中:vpt为活塞瞬时速度,m/s;Ap为活塞面积,m2;αv为流量系数;Av为阀隙通流面积,m2。

有阀线性压缩机活塞的瞬时速度:

vpt=2πflcos(2πft)

(5)

式中:l为活塞的位移,m;f为压缩机运行频率,Hz。

结合式(3)和式(4)代入式(2),则阀片受到的气体力可表示为:

(6)

阀隙通流面积可表示为:

Av=2πRsoxv(t)

(7)

结合式(6)和式(7)代入式(1),阀片的位移可表示为:

(8)

结合式(1)、式(5)和式(8)可得,有阀线性压缩机阀片位移的变化主要与压缩机运行参数活塞行程和频率相关,活塞行程和频率增大,活塞瞬时速度增大,气体力增大引起阀片位移增大。同时阀片的位移也受到自身弹簧刚度的影响,刚度越大,阀片位移越小。当气体力足够大时,阀片位移会到达并保持在最大升程处。

1.2 压缩机效率

吸气过程流过阀隙处的气体质量流量会受到阀隙通流面积的影响,质量流量变化可表示为[14]:

(9)

式中:k为绝热指数;ps为吸气压力,MPa;Rg为气体常数,J/(kg·K);Ts为吸气温度,K。

在压缩机运动过程中,阀片位移发生变化,会导致阀隙通流面积发生改变,影响吸气量,进而影响压缩机输出质量流量,为了更直观地评估阀片位移特性对压缩机性能的影响,主要使用以下两个效率:

容积效率反映了压缩机气缸工作容积的有效利用程度,有阀线性压缩机的容积效率ηvol可以被定义为:

(10)

等熵效率反映了实际压缩过程与等熵绝热过程的偏离程度,有阀线性压缩机的等熵效率ηisen可以被定义为:

(11)

2 阀片位移特性实验台

为了直观地研究吸气阀片的位移特性对压缩机性能的影响,搭建了有阀线性压缩机阀片位移可视化监测平台,研究吸气阀片的实际运动情况,其原理和簧片阀示意图分别如图2和图3所示。实验采用的有阀线性压缩机由中科院上海技术物理研究所自主开发,进排气阀片在压差的作用下启闭,完成氦工质的单向循环[15]。

通过变频电源控制压缩机的电压和频率,并用功率计测量压缩机电参数。在压缩机两端安装有自研的位移线圈,以监控压缩机活塞行程和平衡位置的实时情况。在吸气阀端盖安装了可视化窗口,观测压缩机吸气阀片运动状态并测量其位移,通过质量流量计对压缩机质量流量进行测量,通过压力传感器测量高低压变化,所有数据集成采集到计算机。实验设备及各设备参数如表1所示。

表1 实验测试设备及仪器

实验中采用氦气作为工作流体,控制调节阀开度保持一定,通过改变吸气阀片厚度、升程和压缩机运行频率,利用可视化研究阀片位移特性及对压缩机性能的影响。为满足极低温度制冷需求,需要压缩机在负压情况下工作[16]。实验中的阀组参数升程即为升程限位器的高度,最大升程变化通过改变升程限位器的高度实现。实验工况如表2所示。

表2 实验条件

3 结果与分析

3.1 不同阀片厚度下的阀片位移特性及影响

运行频率为50 Hz,限位器高度为0.38 mm时,使用不同厚度吸气阀片进行实验,通过激光位移传感器所获得的吸气阀片位移曲线如图4所示。阀片厚度的不同将直接影响阀片的刚度[17],0.1 mm厚度阀片刚度小,可在图4标注处观察到0.1 mm厚度阀片无法贴合在阀座上,密封性差,导致泄漏较大。0.2 mm和0.3 mm厚度阀片与阀座贴合性好,泄漏较小。泄漏过大会引起工作流体回吸现象,使吸气量减少。0.3 mm厚度阀片刚度较大,由式(8)可知,刚度越大,阀片位移越小,导致工作流体的通流面积(阀片位移曲线包围的面积)小,压损大,开启后未贴合到升程限位器就已回弹关闭,通流面积的减少会增大吸气损失。同时由于阀片弹簧力大,也会导致阀片关闭较早,吸气量不足。

不同阀片厚度下容积效率ηvol和等熵效率ηisen如图5所示。由图5可知,阀片厚度为0.2 mm时的ηvol最大,阀片厚度为0.3 mm时的ηvol最小,结合可视化阀片位移结果可以发现,阀片厚度为0.1 mm时由于泄漏大导致吸气量减少,阀片厚度为0.3 mm时,通流面积减少,引起吸气量的减少,因此阀片厚度为0.2 mm时的ηvol最大。同时也可观察到阀片厚度为0.3 mm时的ηisen最低。这不仅由于吸气量减少所导致,当阀片厚度增大后,压缩机功耗增大,这是因为阀片厚度增加,阀片刚度也随之增加,使压缩机运行过程中,为了打开气阀所要克服的气阀弹力增大,压缩机功耗增加。阀片厚度对压缩机的ηvol和ηisen有重要影响,适当的阀片厚度将提高有阀线性压缩机的效率。在阀片设计上,阀片厚度过大导致ηvol和ηisen减少,但较小厚度的阀片密封性较弱,因此,需要选取合适的阀片厚度,兼顾阀片的密封性和吸气损失。

3.2 不同升程下的阀片位移特性及影响

运行频率为50 Hz,阀片厚度为0.2 mm时,安装不同的升程限位器改变阀片最大升程,通过激光位移传感器所获得的吸气阀片位移曲线如图6所示。由图6可知,随着吸气阀片升程的增加,气阀碰撞到限位器时,气阀阀隙通流面积增大,腔内气体由阀隙迅速排出到腔外,阀片开启时间缩短,阀片会更早地回落到阀座上。通过吸气阀片位移曲线,获得吸气阀片运动速度如图7所示。由图7可知,当升程为0.26 mm时,阀片运动的最大速度为0.075 m/s。当未安装升程限位器时,阀片运动的最大速度升至0.182 m/s。随着升程的增大,阀片运动的最大速度增大,与升程限位器发生碰撞时的运动速度越大,这会增加阀片所受到的冲击应力[18]。当升程过大或未安装限位器时,过大的升程也会增加阀片阀臂处弯曲所受到的应力[19]。未安装限位器时,由于阀片未与限位器碰撞影响阀片速度,阀片开度过大,导致阀片回到阀座的时间晚于安装了升程限位器的时间,产生延迟关闭现象。

不同升程下容积效率ηvol和等熵效率ηisen如图8所示。由图8可知,当升程限位器高度为0.26 mm时,ηvol和ηisen均为最低,这是由于升程应满足阀隙通流面积小于或等于阀孔面积[14],升程也不应过小,否则将会导致阀隙损失过大,并且通流面积减少,使压缩机吸气量减少。当升程限位器高度为0.38 mm和0.45 mm时,两者的ηvol和ηisen均较为接近。当未安装升程限位器时,结合可视化观察到的结果,质量流量因延迟关闭产生的泄漏有一定的减少,导致ηvol和ηisen的下降。因此,安装升程限位器很有必要性且为保证足够的通流面积,气阀的升程也不能过小,0.38 mm和0.45 mm的升程限位器高度时阀隙损失均较小,为减少阀片受到的应力,提高阀片可靠性,选择0.38 mm的升程限位器高度。

3.3 不同运行频率下的阀片位移特性及影响

阀片厚度为0.2 mm,限位器高度为0.38 mm时,运行频率在20～60 Hz变化进行实验,通过激光位移传感器所获得的吸气阀片位移曲线如图9所示。随着运行频率的增加,吸气阀片位移幅值逐渐增大,由式(1)、式(5)和式(8)可知,运行频率的增大使活塞的瞬时速度增大,阀片受到的气体力增大,进一步增大了阀片的位移。由于安装了升程限位器,运行频率在50 Hz和60 Hz时,阀片位移升至最大升程后贴合在升程限位器上,位移不再增大。由式(6)可知,活塞的运动速度周期受到运行频率的影响,随着运行频率从20 Hz升至60 Hz,完成一个循环的时间从50 ms缩短至17 ms,循环时间的缩短同时导致了吸气阀片开启的总时间缩短。由图9也可观察到20 Hz和30 Hz时阀片产生颤振现象,这是因为在低频运行过程中,吸气时间变长,在阀片受自身弹簧力影响发生回弹时,气缸内压力又再次上升,阀片再次打开后关闭,颤振现象会导致气阀损失的增加。

不同运行频率下容积效率ηvol和等熵效率ηisen如图10所示。由图10可知,随着运行频率的增加,压缩机ηvol将不断下降,而ηisen呈先增加后下降的趋势。这是因为在压缩机活塞行程相同时,随着频率的增加,压缩机扫气量增大,压比也随之不断增大,ηvol会随着压比的增大而减小[20]。频率较低时,阀片颤振,压力损失增大导致ηisen下降。由于在有阀线性压缩机运行过程中存在共振频率,当压缩机运行在共振频率40 Hz时,功耗最小,远离共振频率后,电机效率下降,电阻功耗上升,ηisen下降[21]。因此,在改变运行频率时,压缩机的ηisen呈先增加后减少的趋势。

图1 阀片受力示意图

图3 簧片阀

图4 不同阀片厚度下的吸气阀片位移

图5 不同阀片厚度下容积效率和等熵效率

图7 不同升程下的吸气阀片速度

图8 不同升程下容积效率和等熵效率

图9 不同运行频率下的吸气阀片位移

4 结论

本文通过可视化实验分析了在改变不同吸气阀片厚度、升程和运行频率时对压缩机性能的影响。通过阀片可视化的实验现象结合理论分析了因通流面积改变而导致的压缩机效率变化,得到如下结论:

1)吸气阀片厚度的选择极为重要,需要兼顾阀片泄漏和吸气损失的影响,阀片厚度为0.2 mm时现有的压缩机可以获得最高的容积效率和等熵效率。

2)升程较小时,阀隙压力损失较大,同时较小的通流面积,也会影响吸气量,使压缩机性能降低。但过大的升程也会导致阀片形变和冲击应力增大,合理的升程限位器高度将提高阀片可靠性。因此,目前的有阀线性压缩机应选择0.38 mm的升程限位器高度。

3)当运行频率较低时,吸气阀片颤振现象将导致吸气损失增大,压缩机性能降低。随着频率增大,容积效率逐渐下降,同时为保证压缩机性能,应尽量在共振频率下运行。