基于数值仿真的往复式压缩机进气阀参数研究.pdf

3 0 FLUI D MACHI NERY Vo 1 ． 41， No ．1 0， 2 01 3 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 3 1 00 0 3 0 0 6 基于数值仿真的往复式压缩机进气阀参数研究 张琴 。 张慢来 ， 周志宏 ， 廖锐全 长江大学， 湖北荆州 4 3 4 0 2 3 摘要 应用计算流体动力学方法 C F D 对往复式压缩机进气阀的工作过程进行内流场的瞬态数值模拟， 确定 了膨 胀、 进气过程中温度场、 压力场、 速度场等物理场的分布， 研究了曲轴转速 、 弹簧刚度对进气阀工作特性的影响。计算结 果表明 进气阀工作过程的仿真必须对膨胀和进气过程进行连续动态模拟以确定工作特性； 对于一定结构的进气阀， 当 弹簧刚度由4 5 5 N ／ m增大到 8 0 0 0 N ／ m时 ， 压缩机进气量从 1 1 ． 3 1 0 m ’ 降至 8 ． 8 1 0 m ， 因为泄漏， 在刚度为 2 0 0 0 N ／ m时具有最大实际吸人量 1 1 ． 21 0I 3 m ； 当曲轴转速由 3 0 O f ／ ra i n提高到 2 0 0 0 r ／ m i n时， 实际吸入量由 1 1 ． 6 x 1 0 m’ 降至8 ． 6 1 0 m ； 从避免阀片颤振、 降低瞬时流量波动、 限制关闭滞后角和泄漏量以及提高实际吸入气量等方面综合 考虑 ， 较合理的弹簧刚度在2 0 0 0 N ／ m左右 ， 大于原设计的4 5 5 N ／ m。通过对进气阀的数值模拟 ， 为优化弹簧刚度 、 进一步 分析变转速下气阀的工作性能提供了依据。 关键词 往复式压缩机； 计算流体动力学 ； 流 一热 一固； 曲轴转速； 弹簧刚度 中图分类号 T H 4 5 ； T B 6 5 2 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 3 ． 1 0 ． 0 0 7 S t u d y o n Pa r a me t e r s o f Re c i p r o c a t i n g Co mp r e s s o r I n l e t Va l v e Ba s e d o n Nu me r i c al S i mu l a t i o n Z H A N G Q i n ， Z HA N G Ma n - l a i ， Z H O U Z h i - h o n g ， L I A O R u i - q u a n Y a n g t z e U n i v e r s i t y ， J i n z h o u 4 3 4 0 2 3 1 ， C h i n a Ab s t r a c t I n 0 r d e r t o s t u d y t h e i n flu e n c e s o f c r a n k s p e e d a n d s p ri n g s t i ff n e s s o n t h e p e r f o r ma n c e o f r e c i p r o c a t i n g c o mp r e s s o r s u c t i o n v a l v e ，t h e fl u i d t h e rm a l s t r u c t u r e mu l t i p h y s i c s c o u p l i n g s i mu l a t i o n b a s e d o n C o mp u t a t i o n a l F l u i d Dy n a mi c s me t h o d i s e mp l o y e d t o d e t e r mi n e t h e t e mp e r a t u r e 、 p r e s s u r e 、 v e l o c i t y fi e l d s d u rin g e x p a n s i o n and s u c t i o n ．T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e a i r i n fl o w i s f o r m 1 1 ． 3 1 0一 m t o 8 ． 8 1 0一 m wh e n t h e s p rin g s t i ff n e s s r a i s e s f r o m 4 5 5 N ／ m t o 8 0 0 0 N ／ m for a s p e c i al c o mp r e s s o r ．b u t t h e ma x i mal n e t i mp o r t a i r v o l u me i n t h e i n t a k e p r o c e s s i s 1 1 ． 21 0 。 m a t a s t i ff n e s s o f 2 0 0 0 N／ m f o r t h e l e a k a g e ．B e s i d e s ．t l 1 e n e t a i r i nfl o w d r o p s foI T U 1 1 ． 61 0- 3 m t o 8 ．61 0- 3 m3 w h e n t h e c r a n k s h a f t s p e e d r a i s e d f r o m 3 0 0 r ／ mi n t o 2 0 0 0 r ／ m i n ． T h e r e f o r e ． t h e p e rf o rmanc e o f s u c t i o n v alv e c a n b e i m p r o v e d b y a d j u s t i n g t h e s p ri n g s t i f f n e s a n d t h e c r ank s h a f t s p e e d t o a v o i d v alv e fl u t t e r ， r e d u c e t h e t r a n s i e n t fl u x fl u c t u a t i o n，l i mi t t h e d e l a y c l o s i n g a n d l e a k a g e o f s u c t i o n v a l v e ，a n d i n c r e a s e t h e n e t a i r fl o w． T h e p r e f e r a b l e s p ri n g s t i ff n e s s a n d c r an k s h a f t s pe e d a r e a b o u t 2 0 0 0 N ／ m，w h i c h i s l a r g e r t h a n t h e o r i g i n a l s t i ff n e s s 4 5 5 N ／ m．T h rou g h t h e mu l t i p h y s i c s c o u p l i n g s i mu l a t i o n，t h e v a l i d ref e r e n c e i s p rov i d e d for o p t i mi z i n g s p ri n g s t i f f n e s s a n d i n v e s - t i g a t i n g t h e i n l e t v alv e a t v a r i a b l e s pe e d s ． Ke y wo r d s r e c i p r o c a t i n g c o mp r e s s o r ； c o mp u t a t i o n al fl u i d d y n a mi c s ； fl u i d - t h e rm a l - s t ruc t u r e； c r a n k s h a f t s p e e d； s p ri n g s t i f f n e s s 1 前言 往复式压缩机是一种广泛应用在石油化工企 业的气体增压设备， 其工作过程涉及到活塞、 阀片 运动、 阀座流道和升程限制器流道内流场、 温度场 的耦合变化， 各物理量互相联系， 必须同时求解， 收稿 日期 2 0 1 3- 0 12 2 修稿 日期 2 0 1 3一o 42 4 基金项目 国家自然科学基金项目 6 0 8 7 3 0 2 1 对压缩机工作过程的数值模拟是全面认识流体流 动细节 、 阀片运动规律、 温度场变化 ， 深人研究压 缩机工作性能的唯一有效快捷方法 。进气阀的工 作特性包括 阀片的启闭状态 、 进气量 ， 直接影响到 压缩机的排气量和指示功率， 压缩机工作参数和 结构变量的合理设计是提高压缩机稳定性和经济 2 0 1 3年第 4 1 卷第 1 0 期 流体机械 3 1 性的关键。目前， 往复式压缩机的设计主要根据 气量、 压力和曲轴转速的要求基于一元流和阀片 运动理论进行计算 J ， 但是 ， 由于一元流与实际 三元流的较大差别 ， 对压缩机 内各物理量分布差 异的忽略 ， 导致设计结果往往不甚理想 ， 有必要采 用一种较准确的新方法对原设计结构进行性能分 析， 探索提高传统设计效率的新途径。目 前 ， 随着 计算流体 动力 学 C F D 技 术 的快 速发展 l 5 J ， 运 用 C F D模拟流体机械的动态工作过程成为可能， 但有关流场和热力变化的耦合数值模拟较少 ， 本 文针对一台空气压缩机的一级进气阀， 运用 C F D 方法模拟一定参数 弹簧刚度为4 5 5 N ／ m、 曲轴转 速为9 8 0 r ／ m i n 下的工作过程， 并分析不同弹簧 刚度和曲轴转速对进气阀工作性能的影响。 2控制方程组 往复式压缩机进气阀控制方程组包括流体流 动控制方程 质量 、 动量和能量 守恒方程 、 活塞 运动方程和阀片运动方程。 质量守恒方程为 0 f 1 O t a xi 式中P气体密度 t 时间 i 方 向上的速度 i 方 向上的空间坐标 动量守恒方程为 击 毒 u j 一 毒 著 p g 2 式中P静压 g i 方向上的重力 ， 应力张量 能量方程为 p e p ep ] 去 ％蓑 州 ] eh一卫 P 二 式 中e 比总能 h 比焓 k 热传导系数 气体温度 偏应力张量 对于低中压气体， 密度根据理想气体的状态 方程确定 P p ／ 4 式中R气体常数 』l 气体分子量 活塞速度 秽 随曲轴转角 的变化为 r o e s in 6 刈 5 式中r 曲柄半径 曲轴角速度 曲柄转角 A曲柄半径与连杆长度之比 阀片的受力如图 1所示 ， 运动方程为 m a J p ， 一 P 6 d AZ K h 0h 6 式中 ‘ m 阀片运动质量 口 ， 运动加速度 P 。 、 P 阀片正面、 背面上的压力 A 阀片面积 Z 弹簧数 K弹簧刚度 h 。 、 h 弹簧预压缩量、 阀片位移 阀座 阀座通道 阀片 升程 限制器 图 1 阀片的受力示意 当前时间层的阀片运动速度 可根据上 一 时间层的速度 和加速度进行计算 “ 7 3 式中 At 时间步长 3 计算模型和求解过程 某台空气压缩机的气缸直径 2 8 0 m m 、 行程 1 2 0 m m、 相对余 隙容积 0 ． 1 7 、 连杆 比0 ． 2 、 转速 9 8 0 r ／ mi n 、 一级进气阀的进气 压力 0 ． 9 81 0 P a 、 3 2 F L U I D MACHI NER Y Vo 1 ． 4 1， N o ． 1 0， 2 0 1 3 排气压力 2 ． 9 41 0 P a 、 进气温度 1 4 ％ 、 排气温度 1 2 0 C、 弹簧刚度为 4 5 5 N ／ m， 气 阀结构尺寸如图 2所示。 ．．． [ ￡ } 一 ] ． ．丁 ； m 一 4 , 7 2 ． 5． 一 。 一 9 7 ．5 一 ‘ 一 一4,1 2 2 ． 5 一 一 l 4 7 一 4,1 5 5 r - 图 2 进气 阀的结 构示意 图 3所示是压缩机 开始膨胀 时 的 C F D计算 模型， 气腔体积等于余隙容积， 此时， 阀片上方的 i n t e r f a c e l面与阀隙 的 i n t e r f a c e 2面没有 接触 见 图 4 a ， 区域 1与 区域 2分开 ， 表示 阀片关闭 ， 区 域 3的 i n t e r f a c e l与区域 2的 i n t e r f a c e 2部分重合 形成内部边界。在流场计算时， 区域2的a b 与区 域 3的 c d通 过 i n t e rf a c e边界结 合 ， 形 成单 元面 a e 、 e e 、 e h 、 h f 、 fi、 i g 、 g d、 c l b 如图 4 b所示 ， 其 中 a c 和d b 为壁面边界， 2 个区域的物理量通过其他单 元面在两边单元之间进行传递， 气体可以流过。 图3 往复式压缩机的 1 ／ 2计算模型 区域1 a 阀片附近的分区域网格 b 不同区域间的 i n t e r f a c e结合面 图4 阀片处于关闭状态 当阀片受到 的压力大于弹簧力时， 阀片正面 和背面同时向下移动， 阀片上方 的 i n t e r f a c e l 面与 阀隙的 i n t e rf a c e 2面接触 ， 阀座流道 与阀隙相 连 ， 阀片处于开启状态。计算模型的其他边界条件包 括 进气阀入 口为压力入 口， 压力和温度分别为进 气压力和进气温度 ， 结构的对称面为对称边界 ， 活 塞端面为壁面边界 ， 并采用标准壁面 函数确定 固 体壁面附近的气体流动 ； 计算的初始条件包括 阀 座流道的初始压力和温度分别为进气压力和进气 温度 ， 气腔 、 升程限制器流道的初始压力和温度分 别为排气压力和排气温度 。 当阀片撞击升程 限制器或阀座时 ， 由于撞 击 力未知， 计算中引入反弹速度边界⋯， 即 蒜 一 蒜 8 式中r 下标 ， 反弹 下标 ， 撞击 C 反弹系数 ， 取 C ， 0 ． 3 j C F D模拟过程如下 1 设置时间步长 △ ￡ ， 要求小于弹簧振动周 期 ， 在每 一时 间步 长 内， 运用 S I MP L E算法 和 S p a l a r t A l l m a r a s 湍流模型迭代求解流动方程至 收敛后 ， 提取 阀片壁面上的压力分布为已知 条件 ， 求解阀片运动方程。 2 根据计算的阀片和活塞速度确定 阀片和 活塞的位移增量 ， 判断阀片总位移是否大于升程 或小于0 ， 若是， 表明阀座撞击升程限制器或阀 座， 根据式 7 计算反弹速度作为下一时间层的 阀片速度 ， 模型保持不变 ； 若否 ， 利用动网格技术 使阀片壁面移动位移增量 ， 生成下一时间层的计 算模 型 。 3 重复步骤 1 、 2， 直到阀片完成 一个 “ 闭合 一 开启 一闭合” 过程 。 4 物理场模拟结果分析 膨胀过程中， 随着气缸内压力的不断降低， 阀 片正面与背面之间的压力差不断增大， 当阀片压 力大于弹簧力时， 阀片开启， 气体从外部经过阀座 流道进人气缸， 引起气缸内压力、 温度不断升高。 当曲柄转角等于 9 O 。 时， 缸内局部最高温度和压 力分别达到 7 ． 9 31 0 P a 、 1 4 ． 1 o C， 阀隙处的流速 最大， 为 1 9 3 ． 6 m ／ s 如图 5所示 。 F L UI D MA CHI N ER Y Vo 1 ． 41 ， N o ． 1 0， 2 0 1 3 6 曲轴转速对进气阀工作性能的影响 6 ． 1 阀片运 动 曲线的 变化 刚度为4 5 5 N ／ m时， 曲轴转速对阀片运动的 影响如图 9所示。 一 2 莹 登 匿 0 0 1 2 5 25 0 曲柄转角 。 图 9 不同曲轴转速下阀片位移曲线 随着曲轴转速的增大， 一方面， 阀片初始开启 角增大 ， 这是因为在膨胀过程中， 活塞运动产生的 负压力波向缸内传播需要一个过程， 活塞速度越 大， 阀片背压下降越慢， 阀片开启越迟； 另一方面， 阀片关闭角增大 ， 转 速大于 9 8 0 r ／ m i n时 ， 滞后关 闭现象较 明显 ， 转速 为 9 8 0 r ／ m i n时 ， 滞后 关闭角 和滞后高度分别为3 9 ． 5 。 和2 m m， 阀片仍处于全 开状态。当曲轴转速降至 3 0 0 r ／ m i n时， 阀片出现 “ 颤振 ” 。 6 ． 2进 气量 的 变化 随着曲轴转速的提高， 阀片处于开启状态的 转角区间扩大， 瞬时流量增加 如 图 1 0所示 ， 但 转速超过 9 8 0 r ／ m i n后 ， 泄漏量逐渐增大 ， 由0 ． 4 1 0 m。 增大 到 2 0 0 0 r ／ mi n的 0 ． 91 0～m 3 ， 一个 进气过程的实际总吸入量随转速不断下降， 从 3 0 0 r ／ m i n的 1 1 ． 61 0 m 降至 2 0 0 0 r ／ m i n的8 ． 6 1 0 m 如图 1 1所示 。 1 ． O 面 0 ． 5 遮 0． O ， 一 图1 0 不同曲轴转速下的瞬时流量曲线 ， 、 暑 2 蛙 7结论 1 4 7 0 0 1 05 0 21 0 0 曲轴转 速 r ／ rai n 图 1 l 进气量随曲轴转速的变化曲线 通过对往复式压缩机的膨胀 、 进气过程 进行 C F D动态数值模 拟 ， 分析 了弹簧 刚度 、 曲轴转 速 对进气 阀工作性 能的影 响， 为弹簧 刚度 的优化和 变转速下气 阀工作 性能 的进 一步研究提供 了依 据 ， 有 以下结论 1 往复式压缩机的工作是个流 一热 一固多 场耦合过程 ， 必须将阀片、 活塞 、 气缸 、 进气流道 和 升程限制器流道作为系统进行建模 ， 并对压缩机 的膨胀和进气过程进行连续的动态模拟 ， 以确定 进气阀的工作特性 ； 2 随着弹簧 刚度 的增 大， 进气过程 的流入 气 量 不 断 降 低 ， 泄 漏 减 少 ， 阀 片 在 刚 度 超 过 6 0 0 0 N ／ m时发生“ 颤振” ， 瞬时流量波动较大 ， 当 刚度 由4 5 5 N ／ m增大到 8 0 0 0 N ／ m时 ， 一个进气过 程的进气量从 1 1 ． 31 0 m 降至 8 ． 81 0 m ， 而刚度 在 2 0 0 0 N ／ m 时具 有 最 大 的实 际 吸入 量 11 ． 2 1 0 m。 ，从避免 阀片颤振、 延长气 阀寿命 、 降低瞬时流量波动以及提高实际吸入气量等方面 综合考虑 ， 较合理 的弹簧刚度在 2 0 0 0 N ／ m左右 ， 大于原设计 的4 5 5 N ／ m； 3 当曲轴 转速 从 3 0 0 r ／ mi n提高 到 2 0 0 0 r ／ m i n时 ， 初始开启角由 5 2 ． 4 。 增至 5 4 ． 3 。 ， 闭合角由 1 9 3 ． 0 o 增大到 2 1 9 ． 5 。 ， 阀片处于开启状态 的转角 区间不断增大 ， 气体泄漏增多 ， 实际吸入量由1 1 ． 6 1 0 m 降至 2 0 0 0 r ／ m i n的 8 ． 61 0 m ’ 。 参考文献 [ 1 ] 林梅， 吴业正 ， 吴丹青． 压缩机环状阀原理[ M ] ． 北 京 化学工业出版社 ， 1 9 8 2 ． [ 2 ] 唐翠华 ， 张秀娟 ， 袁本中．气阀弹簧力对压力系数 的影响及控制[ J ] ． 压缩机技术， 2 0 1 0， 2 4 3 0 - 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