饒金強，潘樹林，李 偉，黃福川

(1. 廣西大學(xué)機械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004； 2. 廣西石化資源加工與過程強化重點實驗室，廣西 南寧 530004)

往復(fù)壓縮機工作時，氣體的壓縮是在與外界不相聯(lián)系的工作容積中完成的，為使低壓氣體和高壓氣體分別有規(guī)律性地進入和排出工作容積，壓縮機中必須設(shè)有專門的氣體控制器件——壓縮機氣閥。氣閥是往復(fù)壓縮機的重要組成部件之一，自往復(fù)壓縮機誕生以來，它就一直是被研究的對象。最開始使用的是菌狀閥，但隨著容積流量的增加，壓縮機中逐漸引入網(wǎng)狀閥和環(huán)狀閥等。氣閥功耗約占總功的5%～20%，可對壓縮機的經(jīng)濟性產(chǎn)生極大影響【1】。近年來，通過對氣閥的改造，降低了氣閥能耗，延長了使用壽命，大大提升了壓縮機的可靠性和經(jīng)濟性。

Gyaunke等【2】使用2個無量綱參數(shù)，比較不同氣體在不同氣閥直徑下產(chǎn)生的能量損失，發(fā)現(xiàn)改變氣閥有效進氣面積可以降低氣閥能量損失和壓力降。唐翠華等【3】通過研究發(fā)現(xiàn)：氣閥壓力系數(shù)受到全關(guān)彈簧力的制約，幾乎與閥片的升程無關(guān)，全關(guān)彈簧力越小，壓力系數(shù)越大。潘樹林和莫乾賜等【4】通過研究發(fā)現(xiàn)：氣閥有效通流面積過小和氣閥彈簧力嚴(yán)重不匹配時，壓縮機的容積流量會急劇減小。潘樹林和廣柯平【5】提出在壓比較大時，采取吸氣閥總有效面積大于排氣閥總有效面積的措施可以減小氣閥總功耗。孫引朝等【6】建立了氣瓶充氣過程的熱力學(xué)模型，對充氣過程氣瓶內(nèi)的氣體參數(shù)進行數(shù)值模擬，并與實際實驗結(jié)果進行對比，驗證了該模型在一定范圍內(nèi)可靠。Bhakta等【7】建立了簡化的氣閥動力學(xué)方程，通過傳遞函數(shù)將壓力脈動裝置的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實際的閥片運動特性，可以縮短氣閥的設(shè)計周期。譚琴等【8】通過對壓縮機環(huán)狀閥流量系數(shù)影響因素進行分析，總結(jié)出了環(huán)狀閥流量系數(shù)隨升程和通道寬度比、閥座通道寬度、密封邊寬度的變化規(guī)律。

在生產(chǎn)中，往復(fù)壓縮機的氣量經(jīng)常偏低【9】，而排氣溫度經(jīng)常高于設(shè)計值【10】，其主要原因有：氣閥在設(shè)計、選型上不合理，在運行過程中出現(xiàn)故障。國內(nèi)外學(xué)者對氣閥設(shè)計和功耗進行深入研究后，提出了很多方法和措施改進氣閥、降低氣閥功耗，但并未明確氣閥功耗對氣量的影響。事實上，由氣閥節(jié)流作用引起的功耗會使壓縮機氣缸內(nèi)吸氣終了溫度高于設(shè)計值，排氣量低于設(shè)計值。

本文詳細(xì)闡述了氣閥節(jié)流對氣量的影響機理，分析出吸氣過程中吸收的熱量與氣閥功耗有關(guān)，為壓縮機設(shè)計時溫度系數(shù)的計算提供依據(jù)。在氣閥功耗簡便計算的基礎(chǔ)上，建立溫度系數(shù)和氣閥功耗的表達(dá)式，并使用CFD模擬的方式驗證了溫度系數(shù)簡便計算式的準(zhǔn)確性。

1 氣閥節(jié)流對氣量的影響機理

氣閥對實際進氣量產(chǎn)生的影響可以用4個系數(shù)描述，分別是泄漏系數(shù)、壓力系數(shù)、容積系數(shù)和溫度系數(shù)。壓縮機工作中，吸氣時排氣閥泄漏、壓縮和排氣時吸氣閥泄漏都會使壓縮機實際氣量變小，因此氣閥氣密性越好，泄漏系數(shù)越大。壓縮機氣閥通常為自動閥，由閥片兩側(cè)的壓差和彈簧力控制氣閥的開啟和閉合，克服彈簧力開啟閥片所需的壓差越小，壓力系數(shù)越大。壓縮機排氣時，所有氣閥閥座流道形成的腔室會與氣缸連通，從而增大氣缸的相對余隙容積，使容積系數(shù)減小。溫度系數(shù)的大小取決于進氣過程中傳給氣體的熱量，熱量主要來源有：吸氣過程中，氣體與高溫璧面、活塞等的熱量傳遞；進氣時，氣體因氣閥節(jié)流作用產(chǎn)生流動阻力損失，因流動阻力所消耗的功變成熱量，對氣缸內(nèi)氣體有加熱作用【11】，進而使氣體溫度上升、體積增大，吸氣量減小。

常見的氣閥由閥座、彈簧、閥片、升程限制器和緩沖片等組成。閥門閉合狀態(tài)下，閥片和閥座通過密封面接觸。作為氣體控制元件，氣體在氣閥內(nèi)流動的過程中會因流道拐彎、通道面積發(fā)生變化而產(chǎn)生節(jié)流作用。氣閥節(jié)流作用的大小和氣閥的類型、結(jié)構(gòu)形式、氣閥流道面積等因素有關(guān)。氣流通過直流閥時比回流閥折轉(zhuǎn)小，因此直流閥的通流作用強，節(jié)流作用弱；氣閥安裝面積相同時，環(huán)狀閥和網(wǎng)狀閥比菌狀閥的有效通流面積大；另外彈簧的剛度和預(yù)壓縮量及閥片密封邊面積都會對氣閥節(jié)流作用產(chǎn)生影響。

壓縮機進氣通道中，流道的喉部在吸氣閥有效通流截面積最小處，氣體流經(jīng)該喉部時，產(chǎn)生劇烈的節(jié)流作用，使得流動阻力損失增大、氣體壓力減小，而壓力損失所耗散的功變成熱量被氣體吸收，因此氣缸內(nèi)氣體吸氣終了溫度高于吸氣溫度。根據(jù)氣體狀態(tài)方程可得出：在氣缸內(nèi)氣體壓力和容積一定時，氣體吸氣終了溫度升高，實際氣量減小。對壓縮機吸氣全過程列出能量守恒方程有：

Qa=m0(ua-us)

(1)

式中：Qa——吸氣過程氣體吸收的熱量，J;

m0——吸氣終了氣體質(zhì)量，kg;

ua——氣缸內(nèi)吸氣終了時氣體的比內(nèi)能，

J/kg;

us——吸入氣體的比內(nèi)能，J/kg。

2 氣閥功耗的簡便計算

在正常工況下，往復(fù)壓縮機吸氣過程比較復(fù)雜，尤其是閥片可能出現(xiàn)來回顫動，氣體密度會隨著壓力而發(fā)生變化，導(dǎo)致計算極為復(fù)雜。為了便于計算，需要做合理的假設(shè)，并在簡化后，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。假設(shè)如下：a)壓縮機內(nèi)氣體視為理想氣體；b)吸氣過程與外界絕熱、無泄漏；c)工作過程中不考慮閥片運動情況，視為完全開啟或完全關(guān)閉；d)當(dāng)閥隙馬赫數(shù)小于0.3時，氣體密度變化小于4.4%，氣體密度可視為定值。在上述假設(shè)的前提下，可以認(rèn)為在極短的時間內(nèi)，流過吸氣閥的氣體體積與壓縮機中氣缸內(nèi)增大的容積相等。則平均相對壓力損失計算公式如下：

(2)

式中：δ——平均相對壓力損失；

k——絕熱指數(shù)；

M——閥隙馬赫數(shù)；

x1、x2——氣閥開啟、關(guān)閉時對應(yīng)的活塞位移，m；

νp——活塞瞬時速度，m/s；

νm——活塞平均速度，m/s。

活塞瞬時速度計算公式為：

(3)

式中：r——曲柄半徑，m；

ω——曲柄旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；

θ——曲柄轉(zhuǎn)角，rad；

λ——連桿比。

為表述簡明，引入函數(shù)g：

(4)

式(4)中，忽略λ2及更高次的項，積分得：

(5)

式中：θ1、θ2——氣閥開啟角、關(guān)閉角(其中計算式(6)中θ2為π)，rad。

不難分析，進氣過程壓力損失所消耗的功即為吸氣閥功耗，結(jié)合壓縮機示功圖【1】也不難得出相同的結(jié)論，則吸氣閥產(chǎn)生的功耗為：

Ws=psλvVhδs

(6)

式中：Ws——吸氣閥功耗，J;

ps——吸氣壓力，Pa；

λv——容積系數(shù)；

Vh——氣缸行程容積，m3；

δs——吸氣閥平均相對壓力損失。

3 往復(fù)壓縮機溫度系數(shù)計算

在得出吸氣閥功耗簡便算法后，可以繼續(xù)推導(dǎo)溫度系數(shù)和氣閥功耗之間的關(guān)系。由于吸氣時間極短，因此吸氣過程氣體與缸壁和活塞等熱交換可以忽略，吸氣過程氣體吸收的熱量氣閥只考慮氣閥節(jié)流作用所消耗的功，也即吸氣閥所消耗的功，因此有：

Qa=Ws

(7)

吸氣終了時，氣缸內(nèi)的氣體狀態(tài)方程為：

paVh=m0RgTa

(8)

式中：pa——氣缸內(nèi)吸氣終了壓力,MPa；

Rg——氣體常數(shù);

Ta——氣缸內(nèi)吸氣終了溫度，℃。

(9)

式中：λT——溫度系數(shù)；

Ts——吸氣溫度，℃。

將式(7)代入到式(9)中，可得到溫度系數(shù)和氣閥功耗的表達(dá)式：

(10)

當(dāng)忽略吸氣過程的傳熱時，通過式(10)可知：往復(fù)壓縮機工作時，吸氣壓力和氣缸的行程容積為定值，溫度系數(shù)與氣閥功耗有關(guān)，并且溫度系數(shù)隨氣閥功耗的增大而減小。通過式(9)可知，影響氣閥功耗的諸多因素有：氣閥結(jié)構(gòu)、氣體性質(zhì)、連桿比、相對余隙容積、壓比和彈簧力等【12】。

4 氣閥節(jié)流作用的模擬驗證

前文闡述了氣閥節(jié)流作用會使吸氣終了溫度上升，并得到溫度系數(shù)的簡便計算，但使用了部分假設(shè)和簡化，需要對上述結(jié)論進行檢驗。驗證的方法有實驗和計算機模擬仿真2種，由于實驗需要場地和諸多實驗設(shè)備，遠(yuǎn)不如計算機模擬仿真便捷，因此本文采用模擬仿真的方式。

計算流體力學(xué)是經(jīng)典流體力學(xué)和數(shù)值方法交叉形成的新型學(xué)科，簡稱CFD。雖然離散原理的不同形成了CFD不同的數(shù)值解法，但都是在時間上定量地描述空間流場的數(shù)值解，目前有限體積法應(yīng)用最為廣泛。簡而言之，CFD就是利用現(xiàn)代計算機技術(shù)模擬流體的實際流動，相當(dāng)于在計算機上做“虛擬”實驗。隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，CFD也能實現(xiàn)足夠的精度和準(zhǔn)確性供工業(yè)應(yīng)用。

環(huán)狀閥有較好的適應(yīng)性和可靠性，閥片形狀簡單且相互獨立、制造和加工成本低、強度和抗疲勞性好，因此我國的往復(fù)式壓縮機使用環(huán)狀閥較多。本文以6M50-305/320氮氫氣壓縮機一級氣閥為例，驗證上述溫度系數(shù)的準(zhǔn)確性。該壓縮機主要參數(shù)為：轉(zhuǎn)速980 r/min，行程480 mm,活塞桿直徑φ120 mm,連桿長度1 200 mm,進氣壓力0.12 MPa，進氣溫度25 ℃，排氣壓力0.3115 MPa，相對余隙0.08。進氣閥具體參數(shù)見表1。

表1 6M50-305/320 氮氫氣壓縮機一級進氣閥參數(shù)

為檢驗氣體流經(jīng)氣閥前后因節(jié)流作用導(dǎo)致溫度上升情況，可以對氣閥采用專門模型進行仿真模擬。氣閥流道數(shù)量、導(dǎo)向凹凸和連接筋板所占通道面積比例較小，對氣閥節(jié)流作用影響不大，因此氣閥實體模型可以做適當(dāng)?shù)暮喕：喕蟮哪Ｐ涂梢允狗抡婺M的網(wǎng)格劃分容易且數(shù)量少，可大大加快模擬計算速度以及提高精度。精簡的內(nèi)容包括：流道數(shù)量設(shè)置為2，連接筋減少到4個，去掉導(dǎo)向凸臺；采用靜態(tài)模擬，故不設(shè)置閥片。

根據(jù)上文所述，使用SolidWorks軟件建立實體三維模型， 氣閥完整的模型如圖1所示， 1/4氣閥模型如圖2所示。SolidWorks中Flow Simulation 模塊可用于CFD計算進行流體運動仿真，具有操作簡便、計算過程占用系統(tǒng)資源少、運算速度快且準(zhǔn)確的優(yōu)勢。

圖1 氣閥完整模型

圖2 1/4氣閥模型

為了消除氣閥進口和出口速度的影響，在建立氣閥模型后，分別在氣閥進、出口處加入較大容積的腔室。CFD求解過程如下：

1) 流體介質(zhì)選擇空氣；

2) 該模型具有對稱性，因此選擇1/4模型所在的空間做為計算流體區(qū)域；

3) 網(wǎng)格劃分選擇最小縫隙尺寸為0.01 m,網(wǎng)格精度等級為4，再對局部進行細(xì)化，最終劃分流體網(wǎng)格17 348個，部分網(wǎng)格19 148個，如圖3所示；

4) 邊界條件設(shè)置為進口壓力0.12 MPa,進口溫度為298 K，根據(jù)式(2)計算出相對壓力損失為0.057，考慮管道內(nèi)流動的損失，根據(jù)經(jīng)驗取相對壓力損失為0.1，此時出口壓力為0.108 MPa；

5) 設(shè)置收斂目標(biāo)為全局壓力、溫度、合速度和y方向分速度。

準(zhǔn)備就緒后，通過SolidWorks中Flow Simulation進行模擬計算。在氣閥出口處氣體靜壓為107 880 Pa，最低溫度為298.7 K，最高溫度為312.3 K，平均溫度為311.1 K。出口溫度分布如圖4 所示。

圖3 氣閥計算模型

圖4 氣閥出口溫度分布

對CFD模擬結(jié)果進行處理，可以得到氣閥節(jié)流前后產(chǎn)生的溫度系數(shù)為95.8%。對比溫度系數(shù)的計算式(9)，取相對壓力損失為0.1，壓力系數(shù)為0.9，容積系數(shù)為1，氣體絕熱指數(shù)為1.4，計算得到溫度系數(shù)為95.6%。

5 結(jié)論

1) 氣閥節(jié)流作用會導(dǎo)致氣體溫度升高。理論計算得出的簡便式和CFD模擬得出的結(jié)果基本一致，二者產(chǎn)生細(xì)微差別的原因為CFD模擬時氣閥出口處有動壓的存在。

2) 建立吸氣溫度系數(shù)的簡便計算式，為往復(fù)壓縮機設(shè)計時氣量的修正提供依據(jù)，在考慮氣閥節(jié)流作用后，使氣量數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

3) 氣閥功耗影響吸氣終了溫度，進而影響壓縮機吸氣量，因此降低氣閥功耗不僅能提升壓縮機效率，還能使壓縮機產(chǎn)量增加。氣閥設(shè)計時，應(yīng)選取合適的氣閥參數(shù)，如合理增大有效通流面積、閥隙內(nèi)氣流折轉(zhuǎn)幅度盡量變緩等，以減弱氣體在氣閥中流動過程的節(jié)流作用，提升吸氣效率。

4) 壓縮機應(yīng)優(yōu)先選用抗堵塞性能強的氣閥，尤其工藝介質(zhì)含雜質(zhì)較多時。若氣閥內(nèi)部流道被雜物覆蓋，就會出現(xiàn)堵塞工況，導(dǎo)致氣閥功耗增大，溫度系數(shù)也會隨之迅速減小，此時壓縮機的功耗增多，氣量反而減小，效率急劇下降。使用抗堵塞壓縮機氣閥能減輕氣流通道被堵塞程度，因此可以保障壓縮機長周期高效率地運行【13】。