基于数值仿真的活塞式压缩机排气阀设计参数研究.pdf

2 26 机 械 设 计 与 制 造 M a c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 l 2期 2 0 1 5年 1 2月 基于数值仿真的活塞式压缩机排气阀设计参数研究 米小珍 ， 谭良， 王枫 大连交通大学 交通运输工程学院， 辽宁 大连1 1 6 0 2 8 摘要 气阀是往 复式压缩机 的关键部件之一 ， 气体流经压缩机 气阀的能量损 失是压缩机 中气体动力损失的主要根 源。 通过数值模拟方法分析压缩机排气阀的设计参数对压力损失的影响。 研究表明随着阀座出口处扩散角的增大， 漩涡区范 围在逐渐增大， 即气体的损失逐渐增大， 另外阀座 出口处通流截面与阀座入口处通流截面的比值越大压损越小。最后通 过试验验证了上述结论的正确性。 因此在压缩机排气阀设计中扩散角一般为6 0 。 ， 在既定的设计空间里， 尽可能增加阀座 出口处通流面积， 这对于压缩机气阀的设计具有一定的参考价值。 关键词 活塞式压缩机 ； 气阀 ； 压力损失 中图分类号 T H1 6 ； T B 6 5 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 5 1 2 0 2 2 6 ～ 0 4 Nu me r i c a l St u d y o n De s i g 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 Di s c h a r g e Va l v e MI Xi a o z h e n，TAN Li a n g，W ANG F e n g I n s t i t u t e o f T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g ， D a l i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， L i a o n i n g D a l i a n 1 1 6 0 2 8 ， C h i n a Ab s t r a c t V a l v e i s o n e o f t h e k e y c o m p o n e n t s o f t h e r e c i p r o c a t i n g c o m p r e s s o r a n d t h e v al v e l o s s d i r e c t l y a f f e c t i n g t h e c o m p r e s s o r e f fi c i e n c y ． I t i n v e s t i g a t e d n u m e r i c al l y t h e e f f e c t ofd e s i g n p a r a me t e r s ofd i s c h a r g e v alv e o n t h e p r e s s u r e l o s s ． T h e r e s u l t s h o w e d t h at t h e v al v e l o s s i n c r e a s e d w i t h i n c r e a s i n g t h e c h a m f e r of t h e d i s c h a r g e v alv e o u t l e t a n d t h e h i g h e r t h e r at i o of t h e o u t l e t are a t o t h e n l e t are a， t h e s mall e r t h e v a l v e l o s s Was． F i n all y ，t h e s i mu l ati o n r e s u I t s h a v e a g o o d a g r e e me n t wi t h t h e e x p e r i m e n t s ， w h w h m a y p r o y i d e a g u i d e f o r t h e d c h arg e v al v e d e s i gn． Ke y W o r d s Re c i p r o c a t i n g Co m p r e s s o r ； Va l v e ； Pr e s s ur e Lo s s 1 引言 活塞式制冷压缩机吸 、 排气过程压力损失的大小 ， 反 映了气 阀设计及运行的好坏 ， 它不仅影响到压缩机的输气量， 也影响 到压缩机指示功和 C O P 效 比 ， 因此有必要深入研究 。 压缩机的吸、 排气过程压力损失包括吸、 排气阀和吸、 排气 流道中流动损失， 它受压缩机和气阀的型式与结构参数、 壁面粗 糙度 、 阀片运动规律 、 转速、 工质种类及运行工况等影响Ⅲ ， 其中， 气体流经压缩机气阀的能量损失是压缩机中气体动力损失的主 要根源， 一般设计较好的气阀， 其流动阻力损失约为压缩机轴功 率的 3 ～ 8 ％， 而设计得不好的气阀， 其流动阻力损失会高达 1 5 ～ 2 0 ％12 J 。美国普渡大学每两年一次的国际压缩机工程学术会议 上 ， 有关气阀的研究论文占有相当的比例， 改进气}阋 设计以提高 压缩机效率的研究永无止境也永有收获。 国内外对气阀的研究有很多， 文献 苷 舌簧阀折算成自由度 系统，提出了空气压缩机舌簧阀的一种简化的工程设计算方法， 但此种方法也仅适用于转速2 0 r ／ mi n 的中低速活塞式空气压 缩机舌簧阀； 文献 则是对阀片的运动规律进行分析并建立了气 阀运动规律的数学模型 ， 提出了一些可行的改进措施 ； 文献目 结合 使用 C F D软件模拟气缸内部的流体状态以及气阀的运动规律； 文 献 针对气阀升程进行研究， 利用计算机模拟求出各个升程下的容 积效率、 相对流动阻力损失和目标函数极值， 对气阀升程进行优化 以提高压缩机经济I生； 文献罔 f 段 定通过阀口的流体是一维稳态流动 模型的基础上， 研究了流量系数与不同升程的关系， 采用实验和 仿真结合的方法确定了不同升程下的流量系数； 文献 0 是讨论了 各种计算吸、 排气过程压力损失的方法， 然后在理论分析和对比的 基础上， 求得了适用于计算各类活塞式制冷压缩机吸、 排气过程压 力损失的通用公式； 文献 嗵 过数值模拟分析了流体通过排气阀的 压力损失， 并对阀口的形状进行了优化。虽然有很多人对气阀进行 研究， 但很少涉及到气阀通道 即阀口 几何参数的优化， 并且大部 分关于阀口形状的优化是利用简化的几 ．何模型做理论计算， 缺乏图 形可观性并且理论计算无法确定阀口的细节改进， 所以采用数 来稿 日期 2 0 1 5 0 5 2 8 基金项目 国家 自然科学基金 5 1 2 0 5 0 3 5 ； 辽宁省教育厅项 目资助项 目 L 2 0 1 3 1 7 3 作者简介 米小珍， 1 9 6 2 一 ， 女， 山西人， 博士研究生， 教授， 主要研究方向 机械结构及系统优化， 制冷系统设计优化； 谭良， 1 9 8 9 一 ， 男， 山东潍坊人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方向 制冷系统设计优化 No ． 1 2 D e c ． 2 0 1 5 机械 设 计 与制 造 2 2 9 表4气阀优化前后压缩机性能试验数据 T a b ． 4 Va lv e Co mp r e s s o r P e r f o r ma n c e T e s t Da t a Be f o r e a n d Af t e r Op t imi z a t ion 4结论 数值模拟具有很强的图形可观陛， 节省设计时间目成本低， 文 中通过对活塞式压缩机排气过程进行 C F D的动态数值模拟，并且 对比试验结果，分析了倒角及通流截面比0 l 【 的大小对压损的影响， 得出以下绐 仑 1 活塞茧压 } 机崩 } 气阀口的压损与阀口形状有直接 的联系， 压力损失随 角的减小而减小， 在实际设计中， 角取 6 0 能很好的降低排气阀的压力损失； 2 在阀板面积一定的情况下， 为 了 使压损进一步降低， 阀座通流截面比应选取较小的值。 参考文献 [ I ] 张华俊 ， 高玉学 ， 郭航． 制冷活塞式压缩机吸 、 排气过程压力损失 的计 算[ J ] ． 制冷与空调， 1 9 9 7 1 1 8 2 2 ． Z h a n g H u a - j n n ， G a o Y u_ x u e ， Gu o Ha n g ． n l e r e f ri g e r a t i o n p r o c e s s o f p i s t o n c o m p r e s s o r s u c t i o n 。 e x h a u s t p r e s s u r e l O S S c a l c u l a t i o n [ J ] ．J o u r n al o f R e f ri g e r a t i o n a n d A i r C o n d i t i o n i n g ， 1 9 9 7 1 1 8 - 2 2 ． [ 2 ] 林梅， 吴业正．压缩机自动阀[ M] ． 西安 西安交通大学出版社， 1 9 9 1 ． L i n M e i ． Wu Y e - - z h e n g ．C o m p r e s s o r V a l v e A u t o m a t i c al l y [ M] ．X i ’ an X i ’ a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y P r e s s ， 1 9 9 1 ． [ 3 ] 杨乐之， 代汝平， 徐玉党．空气压缩机舌簧阀的工程计算法[ J ] _ 流体工 程。 1 9 8 6 1 1 7 1 2 6 6 ． Y a n g L e - z h i ， D a i R u - p i n g ， X u Y u - d a n g ．E n g i n e e r i n g c a l c u l a t i o n m e t h o d 0 f a i r c o m p re s s o r r e e d v al v e [ J ] ．J o u rn a l o f F l u i d E n g i n e e ri n g ， 1 9 8 6 1 1 7 - 1 2 6 6 ． [ 4 ] 李明达， 薛金华， 林匡行． 舌簧阀片的动力响应计算[ J ] ．流体工程， 1 9 8 7 1 2 6 2 8 ． L i Mi n g - -d a ， Xu e J i n - h u a ， L i n K u a n g - x i n g ．R e e dv alv e d y n a mi c res p o n s e c a l c u l a t i o n l J ] ． J o u r n a l o f F l u i dE n g i n e e ri n g ， 1 9 8 7 1 2 6 - 2 8 ． [ 5 ] 王毅 ， 谭伟华． 制冷压缩机气阀运动规律的数学模拟[ n 流体机械 ， 2 o o i 3 1 8 - 2 2 3 ． Wang Yi ， T a n We i h u a ． R e f ri g e r a t i o n c o m p res s o r v a l v e m o t i o n l a w o f m a t h e ma t i c al s i mu l a t i o n [ J ] J o u mal o f F l u i d Ma c h i n e r y ， 2 0 0 1 3 1 8 - 2 2 3 ． [ 6 ] 张云， 江志农， 张进杰．往复式压缩机进气阀优化设计方法研究[ J ] ． 流 体机械 ， 2 0 1 4 1 2 2 2 4 ． Z h a n g Y u n ， J i ang Z h i - n o n g ， Z h a n g J i n - j i e ． Me t h o d f o r the o p t i mi z a t i o n d e s i g n o f r e c i p ro c a t i n g c o m p r e s s o r i n l e t v a l v e r e s e a r c h [ J ] J o u rna l o f F l u i d Ma c h i n e ry， 2 0 1 4 1 2 2 - 2 4 ． [ 7 ] 吴业正， 刘瑞和， 程永义制 冷压缩机气阀升程的优化[ J ] ．制冷学报， 1 9 8 5 2 1 4 1 7 ． [ 8 ] [ 9 ] Wu Y e z h e n g ， L i u R u i _h e ， C h e n g Y o n g y i ． R e f ri g e r a t i o n c o m p res s o r v a l v e l i fi o p t i m i z a t i o n [ J ] J o u r n alo f R e f ri g e r a t i o n ， 1 9 8 5 2 l 4 1 7 ． Yu， P．Y． ， Hs i a o ， T．L ， C he n g， Y． C． ， Ch a n g， Y．C． ， Pe r f o r ma n c e Es t i ma t i o n 0 f He r m e t i c Re c i p r o c a t i n gC o m p r e s s o r w i t hC o mp u t e r Mo d e 1 ． 1 7 t h I n t [ J ] ． C o mpr e s sor En g i n e e rin gCo n f e r e n c ea t P u nf u e． 2 0o 4 ． 马建民．活塞式制冷压缩机吸排气平均相对压力损失计算[ J ] ．制冷学 报 ， 1 9 8 7 3 2 8 3 5 ． Ma J i a n - mi n ．P i s t o n t y p e r e f ri g e r a t i o n c o mp r e s s o r s u c t i o n e xha u s t a v e r a g e r e l a t i v e p re s s u rel o s s c al c u l a t i o n l J ] j o u mal o f R e f ri g e r a t i o n ， 1 9 8 7 3 2 8 3 5 ． [ 1 0 ] C h u n g ， M ． K ． ， B a c k ， s ， L e e ， L ， R e w ， H s， B a e ， Y J ． ， M o o n ， Y ．H ． a n d Y u n ， T．W ． “ A S t u d y O i l t h e F l o w i n a Di s c h a r g e S y s t e m o f t h e Re c i p r o c a t i n g C o m p r e s s o r u s i n g C o m p u t a t i o n a l S i m u l a t i o n a n d P I V ” ， P r o c [ J ] ． C o m p r - e s s o r En g i n e e ri n g Co nfe r e n c e a t P u u e ， We s t L a f a y e t t e ， I n d i an a ， US A， 2 0 0 3 7 7 3 8 2 ． 上接 第 2 2 5页 2 通过对载荷、 转速对空心滚珠丝杠温升影响分析认为载 荷及转速变化对空心滚珠丝杠温度影响很小 ， 并且空心滚珠丝杠 更适用于高速高载的工况， 这对于发展高速高精度机床有很大的 突破 。 3 通过对内孔大小对空心滚珠丝杠热特．I生 影响分析发现 从减小空心滚珠丝杠变形考虑， 空心滚珠丝杠内孔越小； 从空心 滚珠丝杆冷却效果考虑， 空心滚珠丝杠内孔直径越大越好 ； 通过 对空心滚珠丝杠不同开孔的热变形和热一 结构耦合分析，从减小 螺母摩擦生热的角度考虑认为 在所给的五个内孔直径中， 外径 为 4 0 ra m的空心滚珠丝杠内孔直径为 1 2 m m是最好的选择。 参考文献 [ 1 ] X uZ h e - - z h u ， L i u Xi a o - j i n g ， S u n g - K i L y u ． S t u d y o np o s i t i o n i n g a e c u r a e y o f ’ n u t ／ s h a f t a i r c o o l i n g b a l l s c r e w for h i g h- p r e c i s i o n f e e d d ri v e[ J ] ． I n t e rna t i o n a l J o u rnal o fP r e c i s i o n En g i n e e rin g a n d Ma n u f a c t u rin g， 2 01 4， 1 5 1 1 1 1 - 1 1 6 ． [ 2 ] 刘永平， 陈祯 ， 芮执元． 高速滚珠丝杠副气液二元冷却系统设计与仿真 [ J ] ．机械工程， 2 0 1 3 ， 2 4 1 9 5 - 9 8 ． L i uY o n g - p i n g ， C h e nZ h e n ， R u i Z h i - y u a n ． D e s i gn a n d s i mu l a t i o n o f g a s - l i q u i d b i n a r y c ool i n g s y s t e m fo r h i 曲一 s p e e d b a ll S C re W u n i t s [ J ] ．C h i n a Me c h a n i c alE n gi n e e ri n g ， 2 0 1 3 ， 2 4 1 9 5 - 9 8 ． [ 3 ] 陈祯．高速滚珠丝杠进给系统动态性能检测与热特性研究[ D ] ． 兰州 兰州理工大学 ， 2 0 1 2 ． C h e n Z h e n ．R e s e a r c h o n d a m i c p e rf o rm anc e t e s t i n g a n d t h e rm a l c h ara c t e ri s t i c s o f h i g h s p e e d b al l s c re w f e e d i n g s y s t e m[ D ] ． L a n z h o u L a n z h o u U n i v e r s i t y o f S c i e n c e ＆T e c h n o l o g y ， 2 0 1 2 ． [ 4 ] ’r e n j i t u s ， WS o l u t i o n f o r h e a t i n g o f b ail s c r e wa n d e n v i r o n m e n t e n gi n e e ri n g 【 J J ． K e yC o mp o n ． C N C Ma c h ． T ool ， 2 0 0 4 3 6 5 6 7 ． 【 5 ]X Mi n ， S J i ang ．A t h e r m al m o d e l o f a b al l s c r e w f e e d d ri v e s y s t e m fo r a ma c h i n e t ool【 J J ．P r o c e e d i n g s o f t h e I n s t i t u t i o no f Me e h a n i c a l E n g i n e e rs， P a r t C J o u r n alo f Me c h ani c alE n g i n e e ri n g S c i e n c e ， 2 0 1 1 2 2 5 1 8 6 - 1 9 3 ． [ 6 ] 刘鸿文． 材料力学[ M] ．第 4 版．北京 高等教育出版社， 2 0 0 4 3 7 ． L i u H o n g - w e n ． Me c h a n i c s o f Ma t e ri als 4 t h E d i t i o n l M] ．B e i j i n g Hi g h e r E d u c a t i o n P r e s s ， 2 0 0 4 3 7 ． [ 7 ] 李维特， 黄宝海， 毕仲波． 热应力理论分析及应用[ M] ． 北京 中国电力 出版社 ， 2 0 0 4 9 2 9 4 ． L i We i - t e ， H u g B a o - h a i ， B i Z h o n 【g - b o ．T h e r malS t res s A n a l y s i s and A p p - l i c a t i o n o f S t r e s s T h e o r y l Mj ． B e ij i n g C h i n a E l e c t ri c P o w e r P r e s s ， 2 0 0 4 9 2 - 9 4 ． [ 8 ] 杨世铭， 陶文铨传热学[ M ] 第4 版北京 高等教育出版社， 2 o o 6 2 5 1 _ 2 5 9 ． r a n g S h i - m i n g ， T a o We n - q u a n ． H e a t T r ans f e r 4 th E d i t i o n [ M] ．B e ij i n g Hi g h E d u c a t i o n P res s ， 2 0 0 6 2 5 1 - 2 5 9 ． [ 9 ] 陈群强， 梁睿君， 叶文华．数控机床滚珠丝杠的温度场研究[ J ] _ 系统仿 真技术， 2 0 1 3 ， 9 2 1 7 5 1 8 0 ． C h e n Q u n - q i a n g ， L i a n g R u i - j u n ， Y e We n - h u a ．T e mp e r a t u r e f i e l d res e a r c h 0 f t h e b al l S s e r e w i n m a c h i n e t ool s[ J ] ．S y s t e m S i m u l a t i o n T e c h n o l o gy， 2 0 1 3 ， 9 2 1 7 5 1 8 0 ． [ 1 0 ] 弗兰克 英克鲁佩勒， 大卫 P ． 德维特， 狄奥多尔 L 伯格曼， 艾德里安 S ．拉维恩．传热和传质基本原理[ M] ．第 6 版 E 京 化学工业出版社， 2 0 0 7 3 1 8 ． F ． P J n c r o p e r a ， D ．P ．D e w i t t ， T ．L ．B e r g m an， AS ．L a v i n e ． F u n d a m e n t a l s o f He a t a n d Ma s s T r ans f e r l M J ． 6 t h E d i t i o n ． B e i j i n g C h e mi c a l I n d u s t ry P r e s s ， 2 O O 7 3 1 8 ．