（化工过程机械专业论文）活塞式压缩机气量无级调节系统的设计与研究.pdf

摘要 p 8 2 8 s f 部分行程顶开吸气阀进行排气量调节是活塞式压缩机气量调节方法中的一 种，真有经济、可靠和安装方便等特点。本文以部分行程顶开吸气阀进行排气量 调节为理论基础，研制开发了一种新型气量无级调节系统，其核心部件为可调回 流气阀。此调节系统根据延迟吸气阀关闭时间的长短确定排气量的大小，从而避 免了压缩机作无用功，在压缩机气量变化的情况下，维持比功率( 排气量与功率 之比) 几乎不变，从而节约了能耗。y 本文首先详细分析了此新型气量无级调节系统的工作原理，结合阀片工况模 拟和实验室试验结果，确定了可调回流气阀的具体机构和气量调节控制系统，特 别对其关键部件一压叉进行了失效分析和改造，并使用了塑料压爪，最后介绍了 两个气量无级调节系统的工业化实例。 通过本课题研究得到： 1 对活塞式压缩机气量无级调节系统工作原理作了详尽推导，对此课题的 可行性进行了理论论证，得出了有关最大气体顶推力等计算公式。 2 对该系统中气阀阀片的运动规律进行了模拟，对可调回流气阀的机构和 加载力设计起了指导作用。 3 对活塞式压缩机气量无级调节系统的关键部件进行了分析，提出了一种 新型可调回流气阀结构。 4 对活塞式压缩机气量进行无级调节的整个系统进行了研究，为实现产品 的7 - , 1 k 化应用提供了一完整的资料；并设计y _ - 套工业化应用系统装 置。 关键词活塞式压杂彳吸气商名量完螽磊节节能 x a b s t r a c t p r e s s i n g - o f fi n l e tv a l v ei np a r t i a ls t r o k ei so r eo f t h em e t h o d so f a i r - r e g u l a t i n g f o rr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r , a n di th a se c o n o m i c 、s a f ea n dw e l l f i x i n gc h a r a c t e r t a k i n gt h em e t h o do f p r e s s i n g - o f f i n l e tv a l v ei np a r t i a ls t r o k ea st h et h e o r yf o u n d a t i o n ， an e w s t e p l e s sc a p a c i t yc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e d i td e p e n d so nt h el e n g t ho f d e l a y i n gd o s i n gt h ev a l v ep l a t et oc o n d u c tt h ev a r y i n gc a p a c i t ya n da v o i d ss o m e u s e l e s sw o r k ，m a i n t a i n st h ew o r kr a t i oi nal i t t l e r a n g e i naw o r d ，i ts a v e ss o m e e r i e r g y ， t h ea r t i c l ea n a l y s e st h e p r i n c i p l eo f s u c h as y s t e mf i r s t c o m b i n e dw i t ht h ev a l v e p l a t es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t ，t h ec o n c r e t em a c h i n es t r u c t u r ea n dc o n t r o l s y s t e mc a l lb ed e c i d e d i nt h ea r t i c l e ，t h ei m p o r t a n tp a r t - v a l v ef b r ki sp a r t i c u l a r l y a n a l y z e d ；a tl a s t ，t w oc o n c r e t ea p p l i c a t i o ni ni n d u s t r i a l i z a t i o ni sr e f e r r e d f r o mt h i st a s k ，t h e s ec a nb e g o t t e n ： 1 t h ep r i n c i p l ef o rs t e p l e s sc a p a c i t yc o n t r o ls y s t e m ( s c c s ) h a sb e e nd e d u c e d ， a n di tc a nb eu s e da st h e f e a s i b i l i t ye v i d e n c e 2 t h es i m u l a t i o no ft h ev a l v ep l a t eh a sb e e nw o r k e d ，a n di tc a nb eu s e da st h e d i r e c t i o nf o rt h e d e s i g no fs c c s a n dt h eu n l o a d e rf o r c e ， 3 t h ei m p o r t a n tp a r ti nt h es y s t e mh a sb e e n d e s i g n e da n dc h e c k e d ，an e w t h o u g h t a b o u tt h ef o l kw a sb o r n 4 t h er e s e a r c hf o rt h ew h o l es c c s h a sb e e nd e v e l o p e da n dt h ei n d u s t r i a l i z a t i o n a p p l i c a t i o ni si m p l e m e n t e d 。 k e ) 啤v o r d s ：r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r , i n l e tv a l v e ，s t e p l e s sc a p a c i t yc o n t r o l ， e n e r g y s a v i n g 浙托太学硕士学位论文 第章前言 1 1 课题赞景 活塞式压缩机排气量调节方法很多，愿开吸气阀进行气量调带在众多方法 中，潋其节省毙糕、结撬篱易秘安装方爱等佬势得戮了广泛豁变鬟。压开啜气阕 气濑调节主鼹有两种方式：一种为企行程压开吸气阀，即在压缩机工作过程中， 嫠莱一暖气瀛爨持全嚣；菇一静为部分嚣程莲秀浸气溪，鞠在部分糕缝过稷中， 吸气阀保持汗启状态，而剩余压缩过程吸气阀关闭，本文研究的气爨无级调节系 统瓣调节臻理霹秀挽耱影式。霆翦，器蠹不少压缩税应弼厂家大多采瘸翦一释调 节方法，而困外压缩机厂家却广泛聚用了詹种。 气量无缎调节系统翡磷潮曩寄广泛静王娃背景。活塞式征缩税历史憨久，因 其制造简单、技术稳定等特点在生产中应用仍菲常广泛。隧璜工况的变化，压缩 辊瓣气量落需随时黛纯，稀绝大多数压缩梳并没有豢装恰当的气量调节装嚣；为 了满足耗气褥求，常采用隆蹑排空或者降压圆滚上级进气戆路等方法，麸褥造 成了巨大韵能源浪赞。以镄海炼化= 联合军间氨压缩机为例；由于气温等变化， 露翦采用的捺气量调节系统为“一溺一”、“二圈二”调节，瘁气体经鹰缠瑟蒜嚣 流副相应各级迸气锗路。这种调节方法调节范围窄，而且能耗浪费严重。现对镇 海遮台氮聪缨投鸯珏装了气羹嚣缀调节系缝，鄹海疆缩铙盖铡啜气阕改造为纛缀可 调网流气阀，一年可以节约电费8 0 万k w m ，约合人民币5 0 万元。 贺零碧揍( h o e r b i o e r ) 公霹对气量蠢毁调节添统避孬了深入研究，并显 推出了非常成熟的产品。但熊只提供产品，并不提供具体的结构参数；而且熊报 贫黪露蠢，一套爨搦器要1 0 0 万元潋上。蔻了柯骧技术封锁，填羚禽瘫窆鑫，我 所研制开发的气量斑级调节系统不但性能究金达到了厂家隳求，接近了国际水 乎，瑟虽徐楱不到嚣乡 产最靛一半。 1 2 本文研究内容 吸气阗漓片在部分蓬缝行程被鞭簿蕞搿对，会寄一些气薄在滔塞推动俸趸 下，阐流到谶气管路。由于气阀有效通流面积一定时，纯回流过程中气缸内气体 垂力变纯趋缓是臻定鹣，掰珏摄器藏鲢笺，簸霹戳虢定不弼捺气量下各自抟调节 力大小。本文对这一曲线进行了详细推导；出于阀片被顶开，气阀工况有了很大 戆变纯，特嬲是瓣冀运羲王凝，有努疆对其遨动过程进行诗鳟杌模裁，以检验是 浙托大学硕士学位论文 否能正常工作；同时，压叉设计方面由于潮开始设计的压叉不是非常合理，在使 用过程中出现了问题，因此重叛设计了新烈压叉，并在选材上作了改进。 2 浙江大学硕士学位论文 第二章文献综述 2 1 排气量调节方法综述 活塞式压缩机是机械工业中量大面广的产品之一，广泛应用于国民经济的许 多部门，特别是在一些国有大型企业，活塞式压缩机承担着大部分的气体输送任 务。压缩机的额定排气量是由设计时所确定，但使用部门的耗气量通常处于变化 状态，有时甚至在颇大范围内变动。压缩机吸入气体状态的变化，也会使排气量 发生变化。因此，当耗气量小于排气量时，应设法减小排气量，满足生产需求。 排气量调节一般应满足： 1 希望压缩机排气量在所调范围内连续改变，以使排气量和进气量时时相 等，即所谓连续调节。 2 调节工况经济性好，即调节时单位排气量功耗要小。 3 调节系统机构简单，安全可靠，并且操作维修方便。 排气量q 理论计算公式为： q = 手d 2 5 丸五 ”( 2 1 ) 式中：d ：气缸直径 j ：活塞行程 无：压力系数 无：容积系数 元：温度系数 ：泄漏系数 h ：压缩机转速 改变式( 2 - 1 ) 中任何一项，都可以改变排气量。 2 2 常见的排气量调节方法【一 2 2 1 转速调节 转速调节分为连续调节和间断调节两种方式： 一、连续转速调节 内燃机和蒸气机驱动的压缩机，因为原动机的转速是可以连续调节的，所以 浙江犬学硕士学位论文 可以比较方便的实现连续的排气量调节要求。 这种调节方式的优点除气量连续调节终，还考调节工狨比功率消耗小，压缩 机各级压力比保持不变，压缩机上不需设专门的调节机构等。其缺点是受原动机 本夯缝能瓣羧毫l ，麴麦溱稳廷襞奁1 0 0 6 0 转速莲鋈癌交纯，舞萋再慧降蘸 气嫩，需其他辅助措施；低于额定转速时，发动机经济性降低；而且在低转遮下， 因为压缩梳迸气速度降低，压缩税气阀工作可能工作不正常。 二、间断停转调节 当采用交流电幼机等不变转速原动机驱动时，可采用压缩机暂时停止运动的 方法来调节气量。变频调速技术正在囱转遮连续调繁方向发震。 这种调节方法的优点是压缩机停止工作后不再消耗动力，压缩机本身也无需 後黧专门兹调节飘鞠。蘸点是菝繁豹癌裁帮箨稷i 会增热摩擦零释静癔损；霸动对 消耗的电力一般比运行状态耍大；要求启动设备简单，操作方便，启动时间短； 要求有较大的储气罐，以便储存较多的气体，藉以减少启动的次数。由于存在上 述缺点，这荦申调节方法一般只适用于微型愿缩枧，藏者极少进行调蕊的场合。 2 2 2 管路调节 一、遴气节浚 在压缩机进气管路上安装节流阀。调节时节流阀逐渐关闭，进气受到节流压 力降低，以致压力系数 。减小，麸两降低撵气量。因为邋气节流按术可戳使进 气臁力连续变化，所以可实现连续调节。 迸气节流的经济性问题由具体情况决定。单级雁缩时，由图2 1 所示，当排 气愿力不变、进气压力变化时，功耗在菜遴气压力p s 时最大，此时取功耗对遴 气魇力的导数，其值为0 。 对理想气体懿终热压缩遵程，援缘凝骰鹃功w 隽： 肚热k ( 玎一t l e ：吲 式中，k ：绝热系数 p 。：名义吸气蕊力 p d ：名义排气压力 v i ；援缨毂开戆篷缭露敲秀气髂窭积 4 浙江大学硕士学位论文 p f 2砥、 4 i a ) 指示图 v 饔 b ) 渤消耗的变化 图2 1节流进气调节示功图与功变化图 筹= 丢 热甄 尝) 竿一t = 。 e ：一：， 由此得：三f 丝14 1 ：o( 2 4 ) 并可化为：压缩比s = 丝= t( 2 5 ) 断进气，所以属于间断调节。切断谶气后鹾缩机为空运行，功耗大约为额定功率 的2 3 。嚣翦农中小型愿缨极上应用毙较广泛。瞧其存在诲多不霹避受熬缺 点：首先，截断进气后末级压力比增加。末级若为澈作用气缸，由于一端气体推 力滚失，渗塞力会惫遽增黧，特裂怒对撵气压力较离熬压缩税，活寨力将远运超 出设计值。其次，调节过程中，排气温度会急遽升离。还有，气缸中会出现真空 痍，对些不允许和空气港帮的气体压缩机，不宣浆用此种调节方法。此外，真 莘 t l l 浙江大学硕士学位论文 空度能使曲轴箱中的油雾沿活塞杆或活塞窜向气缸，增加耗油量。 实线一切断进气阀调节时 虚线一全排气量时 图2 2 切断吸气阀调节的示意图 v 2 2 3 进排气管连通 排气管经由旁通管路和旁通阀门与进气管连接。调节时，只需打开旁通阀， 排出的气体便又回入进气管路中。按照旁通阀开关的方式不同，旁通调节又可分 为节流连通和自由连通。 、节流调节 调节时阀门根据需要调节的气量开至适当程度，让一部分气体通过旁路阀节 流后进入进气管路，属于连续调节。这种调节的优点是结构简单，气量可连续变 化；但是回流部分的气体经过了压缩，功耗太多，经济性差。所以这种方式只适 用于偶尔调节和调节幅度较小的场合。 二、自由连通 调节时旁路阀完全打开，压缩机排出的气体可自由的仅克服连通管路及旁通 阀阻力流入进气管路。为防止管系中原有的高压气体倒流进进气管，故在旁通管 路之后的排气管路上应安装止逆阀。自由连通只能得到间断调节，调节机构也很 简单，且调节的经济性比较好，适用于大型压缩机启动释荷。 2 2 4 补充余隙容积调节 6 浙张太学硕士学位论文 压缩机气缸上，除固脊的余隙容积外，还设有定的空腔。调节时，接入气 瞧工作腔，傻余隙增大，献嚣降低了容获系数，攘夺了羲 气璧，这蹙空蕴称灸羚 充余隙容秘。补充余隙容积分为固定容积式( 通过余隙阀岛气缸相连) 及可变容 积式两释。由于补态余豫调节需簧改造气敬，磊萤会造成魄功率上升，所潋一般 在大型压缩机组不宜采用。其示功圈如2 3 所示。 v 图2 3 补充余隙容积调节示功图 2 2 5 压开吸气阀调节 裂用一个压舞装置，撼吸气阕爨囊l 基开，傻暖壶瓮瓣全懿蕊帮分憝丧失王作能 力，即使压缩机吸入气缸的气体不经压缩而蘑新回流到排气管，以达到调节气量 戆嚣熬。这释调节方法跑较经济。援开吸气淘调节方式不会篌末级活塞力瓒大， 不会使排气温度急遽升高，也不会使气缸内产生真空度，其适用的介质和压力范 餮烫蕊广泛。毽就，选择设计理想豹压开吸气凌调节系统，鹰于活寨式压缩视排 气墩的调节，既安全可靠又经济易行。调节方式有两种：全行程压开吸气阀和部 分彳亍程逶开吸气阕谰节装鬓。前者气量调节为台阶溅，后者为连续激。 全行程压开吸气阀 调节时，在全部行程中吸气阔始终处于强制压歼状态，吸进的气体全部自吸 气闽回流出去，故1 4 气量为零，属予闽叛调节。 压开吸气阀时，压缩机属于空运行状态，其示功图由2 4 所示，因为仪需要 竞黢压秀吸气鳎鏊力遥残熬功耗，教调节懿经济往魄较努。 二部分行程压开吸气阀调节 当迸气行程结窳爵，气闽仍被强铡顶开，在避入压缩行程后，气体扶气缸 7 浙江丈学碗士学位论文 v 虚线一正常情况 实线一调节清况 墅2 4 套露褪压拜暖气瓣褥繁示功鬻 中蓬溪遴气管爨，毽到定嚣雩镁强露l 乍震敬滚，啜气阕荚耀，在粼余孬耧孛气体 受戮送终并撵戳。按照寝气澜农送终幸亍程中篷开时淹熟妖短，胃戳褥爨连续豹调 节。其示功强魏2 5 骚示。 圈2 5 部分压开调节示幼豳 2 3 常凳排气麓调节系统及税构陶 v 系统1 ( 毅圈2 ，6 ) 气源来蠢瑟缩枫德气罐肉袋其德洁净笨统，嘏捺蘑声糕气鬟浆蒙求，遴过蓬 力调节器调节用气现场的许耀聪力上下限傻控霸8 簸开吸气润装置，爽现气鬣调 节。 ：系统2 ( 懿强2 7 ) 根据用户糕气纛要求，调繁艨力控卷器控制电磁阙燎燃。当压缎枫撑氆气体 压力超过许羽压力上限值麟，愿力擦毒4 器控制魄磁蠲开嫡，气源剿缝避过滤嚣， 寒 坠 键；|；，；毒 浙江大学硕士学位论文 加油器、减压器和电磁控制阀控制压开吸气阀装置，使压缩机空载运转；当排出 压力降低到许用压力下限值时，电磁阀关闭，压缩机恢复正常工作。 图2 6 气量调节系统l 图2 7 气量调节系统2 三系统3 ( 如图2 8 ) 根据用户耗气量要求，调节压力测量仪表和p l c ( 可编程控制器) 控制电磁 阀开启。当压缩机排出压力超过许用压力上限值时，压力测量仪表和p l c 控制 电磁阀开启，气源则通过过滤器、加油器、减压器和电磁阀控制压开吸气阀装 置，使压缩机空转运行；当压缩机排气压力降至许用压力下限值时，电磁阀关闭， 压缩机恢复正常压缩。 2 4 压开吸气阀装置 图2 8 气量调节系统3 9 薰 浙江大学硕士学位论文 一压开装麓1 ( 魏翔2 ，) l 气滚 墅2 ，9 压牙装置l 当压缩机排气雁力达到上限值时，气源进入吸气阀压盏2 ，推动活塞3 和压 叉4 ，硬开吸气阉翅片，馒压缠壤突载运转；当蓑 气莲力醛歪下限毽对，溪塞3 上部的气源排放，愿叉4 借助弹簧5 而升越，阀片恢复到关闭位置，压缩机进入 正豢工馋。 该装置结构简单，但活塞3 与压盖2 之间配合尺寸要求严格，加工装配要求 毫；0 鍪甏i 癌增大活塞3 与嚣盖2 配台甏之闻静摩擦力；若不设鬣o 墅瀚l ， 则活塞3 上部的气源将产生泄漏，严重时，无法推动活塞；活塞3 与压盖2 间的 配合面容荔生锈；疆叉4 与活塞3 采用焊接结构，手工割佟，效率低而且尺寸及 公麓难保证，般不适用于窄通道气阀。 二压开装置2 ( 图2 1 0 ) 其作用原理与装置l 基本相同。当压缩机排气愿力达到上限值时，气源推动 隔膜润伺服聒膜片1 ，通过压块2 和压杆3 ，推动活塞5 和联叉6 ，顶开l 殁气阀 阀片，使压缩机空载运转；当排气爨压力降至下眼馕时，膜片l 上部气源撄敖， 压块2 、压秆3 、活塞5 和腿叉6 借助弹簧4 和弹簧7 而升起，阀片恢复到关闭 位鬟，压缩机进入夔常工作状态。该装置采髑7 隔膜阕儡服嚣，爨透气源无瀵瀑， 可应用于排气压力较低或其他具有特殊要求的情况；压阀罩8 和活塞5 之导向面 上镶蹑氯套，降低7 莲耀罩8 与活塞5 导囱疆阕鳃戴会要求，茨壹了生锈，搽涯 了活塞5 的灵活性。但该装殿较装鬣1 结构复杂，膳叉质量仍较难保证。 1 0 浙江大学硕士学位论文 图2 1 0 压开装置2 三。联开装鲞3 ( 图2 1 1 ) 该装置作用原理和装置2 相同，采用隔膜阕伺服器，越时将焊按压叉换为柱 塞筑压叉，驻叉1 与柱塞2 的的尺寸和公差均由机械加工保证，效率高，强度好。 l 气潦 j l。儿 j l j【姒j 1 1 f ， 一 r 一r 鹫2 1 l 璜开装置3 1 2 3 5 6 7 8 浙江大学硕士举位论文 2 s 压缩杌技术研究动向p q 国际服缩枧工程会议( i c e c p ) 是压缀提孬业规模最大戆匿鼯性学术会议， 其目的在于介绍压缩机领域的最新研究成果及最新设计、考察压缩机技术发展及 应翔款现代工业承乎窝绘专家围行按魅、交滚帮搽讨提供凝会。该会议戆予1 9 7 2 年，原名为普度压缩机技术会议，由美国酱度大学机械系r a yw h e r r i c k 实验室 受蜜缝织，每嚣年露开一次。鉴予参热会议代表跫蔻广泛，簌1 9 8 6 年起，燹名 为圈家压缩机工程会议，躐今已经召开了1 6 届。从各届会议发表论文统计来看， 入髑对往簧式基缭橇窝擦群式莲缭辊煞簪 究虽然後在持续，僵磅究热熹己经转移 到漩涡式压缩机，尤其是随着汽车行业和冰箱等家用电器行业的发展，漩涡式压 缩祝在小燮纯、低嗓音等方面取得了长足邋震；对于滚动活塞和淆片等回转式压 缩机，由于篡开发生产趋于稳定，缀然研究工作继续向高性能方向发展，假有越 发舅置之嫌。驮统计还可以看出，人们对惩缩祝气阀的研究扶未松懈过，也证明 了气阀技术是压缩机技术中的核心问题之一。 2 5 1 活塞式压缩机研究动向 活塞式压缩机的应用具有悠久的历史。出于其巷4 造简单，霹兹还是一糖应爆 广泛的基本机型。世界各国正在采用现代化技术进行研究以进一步挖掘压缩机潜 力：降低制造成本、提高应用性2 敷减少故障。其中，( 1 ) 在气阕磷究方囊，耀 腔流动阻力和阀室热交换的研究占商重要地位。在气阀结构方面，荷兰的m o s e 设计了一秽气阀弹簧的底部支撑霹调结构，戬改交撵簧豹鬏压绫鳖，逶疫王瑷或 工质变换时气体顶推力的炎化，以在广阔的工况变化范围内气体顶推力和阀弹簧 力黪合理疆酝；( 2 ) 在捉梅上毙较深入游磁究主要怒关于容狡控餐方瑟豹。魄螽 在涟杆和曲柄销之间的轴承部分啮合偏心凸轮，根据凸轮的偏心角分两级调熬活 塞熬孬程；褥魏在援缭援逡逶戆双凝压缩瓿中，谲整两个涵塞翡谯复运魂秘位， 以实现连续容量控制。变频调速是比较热门的研究方向，假其实用性仍待提高。 ( 3 ) 在菽簿诊瑟方覆，美辍酱度大学鞠磺究久员翁用压力铸感器所溺得讯号韵 变化来发现压缩机故障，并判断故障原因，由于人智能理论的发展，本方向得 爨了极大熬增强。铡如，在进、摔气阀片上锚孔来模拟由予气润关闭不严或者断 裂引起的故障；在活塞上钻孔来模拟由于磨损而引起的过量泄漏，然后将不网故 障条件下压力讯号黼象分剐与正常工作条件下讯号豳象迸彳子分析比较，建立故障 信号数据库，以此采判别故障原因。( 4 ) 在计算机模拟方联，美国i r i s 公耀g | 遴多维空闻解析概念，将性能分析与部件设计综合起来，为设计新的或者改进现 浙江大学硕士学位论文 育簸缩机掇供了一个非常商效的途径。 2 5 2 气阀研究方向 舌簧润和片状阀仍是许多工作者的研究内容，说明入们利用现代仪器和分析 经4 0 多年的研究麟尚未找到设计无故障阉躯方法。对于气阀曩翦所进行的磷究 有：气阀周阐的流场解析、影响压缩机性能的压力损失研究、影响压缩机可靠性 的阉片材料胞冲击应力和疲莠的磅究以及阉片等飘零毒料鳃皮用。关予气阀髑围静 流场分析，有阀片和阀座以及升程限制器之间的非稳定流动值解析和测定的研 究，特别是隧羞计算流体力学匏发葳，阕黢内气体滤场计算菱残爻磷究设诗热点； 对影响可靠性的阀片振动和应力成变，发表过腐蚀疲劳强度测定、冲击应力解析 积镀镶层应力测定方法等文章；凌冀瑟亳孝瓣应用方甄，壶予往戆铙舅懿瑟享孝精不 断涌现，好多气阀使用单位开始尝试换用塑料阀片蒋。由于计算机关于阀片运动 筑簿弱模登解辑方覆发震逐速，绪聚已经蘩鬻准确，采蘑计算撬模拟对气闲逶彳亍 最优化和可靠性等设计研究是当前气阀研究的科研动向。 2 ，5 。3 匿_ 歼吸气阀瓣气量调节技术粒研究旗淘 通过联开吸气阀进行气量调节的思想早在上世纪2 0 年代已经出现，但奁阅 众多资精器发现，迄今国雨对压开吸气阀封 气量调节的应用绝大部分都局戳在全 行程压开技术，因此气量调节等级也就是阶跃式的。如沈阳气体压缩机厂制造的 2 d 2 0 1 0 0 7 垂空压视及2 d 2 0 1 0 0 8 垄气缸无油空蕊机，它是引用德国博尔齐格 ( b o r s i g ) 公司大型对称平衡型愿缩机制造技术的典型品釉。抟气量调节方式 为联开吸气阀，0 5 0 1 0 0 三位调节。上海压缩机厂制造的l g 3 1 x 2 2 2 1 0 0 1 3 型全罩喷油2 级螺麟式空压枧。主摭的担 气爨调节必o n o f f 调节系统加 油气分离器电磁阀放空装置，以实现0 和1 0 0 两缀排气量调节。而且欧美等国 以及蔚苏联对此进行了比较深入的萋毋究，势显已经澎或了跳较残熟憋按拳体系。 如前苏联生产的1r - - 2 6 6 3 2 0 型氢氮气高压卧式滕缩机，i 、级采用部分行 程聪开殴气阕方式避露键繁，气璧霹连续调节至7 0 ；琢筵交籁洛鼓竞产熬 2 s l k l 1 0 0 粼氨氮气高压压缩机，i 、级采用手动压开吸气阀调节气量，幅度 霹达7 5 ；褥懿琢苏联产赘2 0 0 b - - t 0 8 垄空压撬气霪爵连续调节为l 1 6 立方 米分钟，英国柏利斯公司b m - p b m 系n 4 , 型空压机、英图布罗姆威德公司 鞠系歹l 、3 0 0 0 系鳓空压撬溺采嗣了部分行程压开彀气润气爨调节技术。还有， 奥地利贺尔瓣格公司是当前压缩机气阀领域技术最为卓越的公司之一，它也是世 赛上最大、掰史最筏豹专业露l 造压缩祝气阉豹企业。贺氏气阀的最大特点是节能 浙江大学硕士学位论文 效采好、寿命长和安全性熊高。它对部分纛程可调匿流气阏系统研究非常成熟， 并熙成功开发出了全量程可调回流气阀。但是由予技术封锁，贺尔磐格没有对外 提供具体的设计参数和研究报告。同时，由于可调阐流气阀卓越的节能效粜，国 虎众多压缩机使用众业对可调回滤气阀有麓强烈的爨求；褥查阅资料居发现，国 内涉及到此类方面的研究，除了翻译介绍豳外设备动态的文章外，尚无人在此方 嚣做具体联究。本文蝰这一气量浞节系统懿理论论涯、设计窝校核工作终必主要 内容。 1 4 浙泼大学硕士学位论文 第三章无级可调圆流气阀理论与实验 3 1 无级珂调醒流气阂理论 活塞式压缩机正常工作时，进气完毕艨，吸气阀关闭；活塞返行程，开始压 缩气缸内气体。顶开吸气润排气量调节技术要点爨：延迟吸气阀关闭时间，在活 塞开始返行程运动时，部分气体农活塞的搬动下，又回滚到了进气管路。凌于此 过程中吸气阀两边压力相麓不大，排出这部分回流气体的能耗也就很小。肖气体 回波量满足要求震，关闭吸气阕，敏内气体开始蠢掌莲续。 3 1 1 工作原理 圈3 1 为气阉压开鞔褐示意图。液疆或者气动机构产生的捺力作瘸子卸稀弹簧， 进而推动膳叉顶开吸气阀。 箨赞力 鹰叉 阉片 阀片弹簧 图3 1 气阀压开机构示意图 此过稳中，辩吸气润片进行篱瓣受力分析，主要有潋下三个作鞠力：1 、润片 弹簧施加的关闭吸气阀片的作用力：2 、压叉施加的顶开吸气闽片的作用力：3 、 流缀气阕的气体施加的顶攘力，其中进气过程为顶开气阀方向，回流过程为关闭 气阀方向。滥压叉力等于零，进气究毕时吸气阀片无开度，气体回流量为零，压 缩机全负荷工作，即额定功率下工作：当隧叉力为大于零的莱一数值时，进气完 毕臌阀片保持一定开度，有部分气体回滚，压缩极灾现部分受蔫工骼，霹鲻楚工 作。图3 2 为压缩机部分负荷工作豕功图。正常工况下，压缩机工作过程由1 - 2 压绩过程、2 3 费 气过程、3 - - 4 彩羰过程秘4 一l 吸气过毽缀残。瓣手无缀霉灞 圆流气阀，由于1 2 压缩过程开始时吸气润仍然敞开，在活塞推动下，缸内气 体鼷滚滚速与活塞遮动速度大致残燹毙。嚣始鏊滚潜，霞流速度穰，l 、。蘧羲灞塞 速发增加气体流速也相应增大。产生的顶推力也相应增大。当它与气闽弹簧力 濒江太学硕士学饿论文 之署珏刚好大予压叉都荷力时，吸气闽开始关闭( 图3 2 中5 点) ，随即气阀完全 关闭。随后缸内气体压力急遽升高，确保阀片不再打开，压缩机歼始正常压缩过 程，如图3 2 中5 - - 6 部分所示。因而对于安装有气量无级可调系统的压缩机， 图3 ，2 可调回流气阀调节示功图 在部分气量工凝下，示功阉行程为l 一5 6 3 4 一l 。显然出予攥气量的降低， 示凌甏示意嚣积涟之羰，j 、，保持魄臻率鏊零不变。第三节实验室验诞帮分静实际 数据识将验证这一点。从丽表明，无级可调回流气阀调节气量时没有额外损耗太 多的功，体现了其优异的节能效果。 如图3 2 所示，曲线l 一9 为整个压缩过糨中，吸气阀完全打开时气体压力 隧滔寨缀置交诧踅。活塞运行戮接运行程中部豹辩侯，其运萼亍遴发达蓟最大篷， 越时气体顶接力亦遮戮凝大僮。涎后活塞运动速度逐渐减小，气体顶推力也随之 减小。因此使得阀片在凰流气体达到最大推力时恰好关闭的压义作用力称为最大 压义力。假如继续增大压叉作用力，即使最大气体顶推力也无法克服压叉作用力， 从而吸气阀在压缩过程中始终保撩开启，压缩机吸入的气体完全潮流，摊气量降 梵零，遴入空转状态。警悉叉力麸零囊最大蒸叉力变琵辩，害 气爨氇麸1 0 0 下 降劐5 0 左右，即气量调节范匿在o 一5 0 麓在。在此范围内，聪叉作用力与气 量调节德一一对应。因此准确得出1 9 曲线，即可确定某一排气缀下所需的压 叉作用力。影响此曲线形状的因素很多，其中擞鼷因素为气阀有效通流面积和压 l 矗 塑婆盔兰堡主璺垡堕苎 缩梳的转遽等匿宥特性。下面3 1 2 、3 1 3 和3 1 4 小节将从气阀有效通流面积， 结念压缩机运行情况，详细推导此曲线公式。 3 1 2 吸气阀有效邋流面积的近似计算 一概述 气体流经气闽时，阀胶产生阻力。近似计算的基本出发点是把气阀中的各个 局部阻力区用一系歹| j 串联绒并联的节流小孔来代替。在计算有效通流面积丑寸，流 经气阀的流动假定是稳定的，两流量系数仅仅是气阕几何形状有关的结梭参数 ( 例如升獠和阀座通道宽度等) 的函数。 二。串联节流小孔系数 图3 3 所示为两个串联的节流小孔，小孔面积分别为碣和，流量系数分别 为强零翼钙，黍积( 壤鸟) 、( 龟g ：) 分裂弦魏第一个夺孔的有效懑滚瑟稷秘第二 个小孔的有效通流筒积。印。和p ：分别为流经小孔口。和d ：后的压力降，印为总 豹纛力降。霪3 4 瓣示d , t l 是和图3 3 稳当鹣节浚小藐，它戆滚萋系数为掰， 矗n 融 豳3 3 两串联，j 、孔 瑟3 , 4 与强3 3 中等徐d , t l 等价与串联两小孔的有效通流面积。所谓等价，即指流经图3 3 中系统的质疑流 l d m d t 蠢压力降众矽与强3 4 孛懿麓量漉鬃帮压力降程固。 由流体力学知识f 2 】可知，气体流经小孔的质量流量为： 鲁= 4 两 1 7 浙江大学硕士学位论文 式中，碡一小孔翰葡效遗涿回积 p 一流经小孔前气体的密度 却一流缀小孔的气体压力降 所以图3 , 3 、图3 , 4 所示系统的气体质爨流量如下： 警咱啪厕 警咆蚴厢 鲁= ( 嘲厕 因其关系匈= 锄+ 锄 代入式，得： 百d m = ( a l 强) 痂两 同时，由式( 3 - 2 ) 得： ( a 2 ) 2 矗阮= ( 口l q ) 2 卸1 = ( q a l ) 2 ( 劬一a p 2 ) 隐噬) ：+ ( a 2 a 2 ) 2 】毫如= ( a l o f l ) 2 母 觇= ( 矗卜 肾劫一锄= ；一高卜印；2 劫一锄3 i 卜瓦茅箭肇 = 瓣卜 将式f 3 5 ) 代入式f 3 4 ) 孛，凑： 警= ( a l 啪厕 ( 盘盯) = 三。势联节浚小魏系统 图3 5 所示小孔系统与图3 6 所示小孔系统相当。 警= ) 面 ( 3 - i ) ( 3 2 ) f 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 7 ) 1 8 浙江大学硕士学位论文 警叱) 丽 i d m = ( 口口) 丽 d m 火l t d m d r p 妥刊越触 ， d m 2 m t a 2 图3 5 并联小孔 ( 3 - 8 ) 图3 , 6 与图3 5 等价的小孔 代入( 3 7 ) ，( 3 8 ) ，有： ( o g ) = ( q a l ) + ( a 2 a 2 )( 3 - 9 ) 式( 3 9 ) 就是并联小孔系统有效通流面积计算公式。 四气阀有效通流面积计算公式 图3 7 为环状阀简化示意图和相应的节流小孔系统图。 由小孔口z 和a 3 组成的通流部分，是并联系统。其有效通流面积按式( 3 9 ) 计 算，为： ( d 2 a 2 ) + ( 吩a 3 ) 这个面积为阀隙有效通流面积( 口，q ) ，其中q 是气阀阀隙的流量系数，吼是 气阀阀隙通道面积，即： ( 口，口1 ) = ( a 2 0 r 2 ) + ( q 鸭) 1 9 浙江大学硕士学位论文 a a 3 图3 7 环状阀简化示意图和相应的节流小孔系统图 而口。与吼又组成串联系统，该串联系统的总的有效通流面积为( 口，口。) ，也即该气 阀的有效通流面积。 ( 叩。) ：皇生 l 掰 2 五吸气阀计算实例 下面为镇海炼化4 m 2 0 1 8 1 1 0 一b x 压缩机一级吸气阀参数为例，理论计算 其气阀有效通流面积。 图3 8 吸气阀阀座结构简图 此压缩机有四个阀座通道，现取其中一个通道来分析有效通流面积。实际吸 气阀阀座结构简图如3 8 所示。 节流孔口面积：4 = x d ：h ，4 = 石d 3 ，两者并联，其有效通流面积为： 塑堡盔兰堡主璺堡垒塞 以3 。= a 2 3 ，r h ( d 2 + 魏) 式中，d ，为流量系数，取近似馕0 7 3 1 。 h 为闽片位移 流动遴道面积： = r c d ；h ，其露效屈流面积屯为： a i 。= a l m d i h 式中，强魏、滚量系数，取避似僮l 。 由于 。和4 。串联，气阀一个气流通道的有效同流面积4 为 置= 而四个阀通道并联排列，整个气阀有效通流面积计算公式为： 4 建= 4 ( 3 一l 固 4 m 2 0 压缩机戋阀结构有关参数见表3 1 ，代入式( 3 一l o ) 即可求得结果。 表3 1 气阀结褥参数辫 l 阀通内径( m m )阀通外径( r a m ) f 12 5 l2 6 1 l 22 2 l2 3 l 31 9 12 0 1 41 6 11 7 1 3 1 3 全回流过程气体顶推力计算 活塞到达痰患，遴气遘程结寒；然器活塞运行程运麓，气艇凌气薅褒活塞 推动下，从吸气阀回流到进气管路。由于此过程大部分时间阀片紧熊在升程限制 嚣上，也聱疑予全努狡态，获戳在维导气体旗稚力辩，只技溺片全开靖诗冀。 气缸容积( 或者活塞位移) 与曲柄转角目之间的关系 令：r 一楚梗半经 l 一连杆大小头的中心距 盖一藏橇半经与连轻大夺头孛心蘧之魄，冀= ，您 p 一连杆轴线和气缸中心线之间的夹角 x 一麸蠹正点量超，活塞静经移 2 1 浙江大学硕士学位论文 c 一活塞瓣时速澄 图3 9 活寨位移与蘧橇转懿关系鹜 由图3 9 得： x 嚣，+ 三一( r e o s g 十三e o s 筘) ls i n 口= rs i n o 有：s i n _ _ _ 堡f l ：三：五 丽 c o s , 8 = 1 一s i n 2 多= 领一五2 s i n 2 拶 x = ，( 1 - c o s o ) + l ( i 一万i 丽1 将s i n 2 0 展开成级数，得： 瓣小半t a 4 s i n 4 0 一 代入式( 3 - - 1 1 ) ，有： 舻，( 1 - c o s o + 害s i n 2 0 + 等s i n 4 仉 忽略高次项后，有： 善= ，( 1 - c o s 0 + 委s i n 2 移) 溪塞速度c 与鏊辆转角熬关系有： 。：鱼：查塑 斑d 8 斑 ( 3 1 1 ) f 3 1 2 ) 浙江大学硕士学位论文 叫心n 细s 阳i n 口) 警 = r o j ( a s i n o c o s 0 + s i n 0 ) 气缸容积v 以及对护的导数均是0 的函数。由于可调回流气阀全部安装在盖 侧，所以对盖侧工作容积，有 v = k + s p x 式中，k 一余隙容积 s 一活塞横截面积 由式( 3 1 2 ) x = r ( 1 - c o s 0 + 要s i n 2 口) ，得： 矿= g o + s e t ( 1 - c o s o + ：ts i n 2 口) ( 3 1 3 ) 万d v = i , h t s i n o + 鲁s i n 2 曰) ( 3 - 1 4 ) 式中，圪一行程容积 二气体流经气阀瞬时压力损失计算 由前面章节所述，可知气阀流体计算的简化模型为气体通过节流小孔的计 算。由流体力学气体通过小孔计算公式，有： p 。= = 1p “，2 【4 】 ( 3 1 5 ) 式中，p 。一阀前、阀后的气体压力差 , ，一瞬时阀隙速度 又根据当地音速公式，有： c = 、艘z 式中，z 一阀腔内气体温度 卸。= 丢，2 i p = p 痴u2 = 等( 等2 ( 3 - - 1 6 ) 瞬时阀隙速度“，与压缩机许多参数，如活塞面积、活塞运动速度以及气缸内 热力学参数等有关。由于气缸内气体的压力随时间变化而变化，单位时间内活塞 扫过的面积不等于流经阀隙的气体容积，n n n 隙速度的精确计算比较复杂。为 了大致算出气体顶推力，在此采取一些近似假定：假定在较短的时间内，活塞运 动扫过的气缸容积等于流经阀隙的气体容积，因此有如下方程式： 浙泷大学硕士学位论文 甜，n ( a ，o t ，) = c s v 式申，n 一气缸固侧同名气阗数 s 一活塞横截面积 代入式( 3 1 6 ) ，毒： a p v = k 2 p l r w ( t s i n 0 c o s 0 瓶+ s i n o ) s p 一 2 所以气体对阀片的顶推力可以由下式求得： f = 芦b 。) 瓴 ：型l r c o ( t s i n o c o s 0 + s i n 0 ) s , l ( 3 - - 1 7 2 ln ( a ，a ，) gj 式中，p a 。为阉烤毒效受力嚣苏 三计算实例 下垂以镇海炼纯4 m 2 0 - - 1 8 1 1 0 - - b x 藤镶援参数为饲，在躅片全开对，臻上 面公式计算的气体顶推力。计算时气体参数为：转速3 3 3 转r a i n ，行程0 3 2 m ， 气艇童径0 + 8 7 m ，气溪个数3 ，绝煞指数1 1 7 ，分子量2 5 7 4 ，溺穗有效邋道面 积o 0 7 6 4 m 2 ，升力系数o 9 3 。最厥结果以图3 1 0 表示。 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 d i 0 0 5 0 顶捺力0 浙双大学硕士学位论文 而卸荷弹簧设计主要由此数据得到。 3 。2 可调网流气阀运动规律模拟 气阀运动规律指的是阀片位移、阀片运动速度以及阀片前后两边压力比随曲 横蒋角弱变纯蔼交纯静麓律。我密这些窥律与压缩鸯i l 、气钵以及气阙缩梅等各有 关参数之间的数学关系并求解是气阀运动规律研究的中心内容。由于压义的作 焉，原先庭好的气阉运动工况有可麓被破舔，本章将通过讨论诧可调回流气阀运 动规律的数学模型和计算方法，来探求改遗后的气阀是否合理。若不合理，则需 对艨气阀络构参数藿新进行设计。 3 2 1 不考虑气流脉动时气阀运动规律的数学模型 括塞式压缩机臼匀工作循环由进气过程、压缩过程、排气过程和膨胀过程所组 成。安装可调回流装置蘸，气阀处于正常工汉，在毅个过程中，只蠢在遴气过程 和排气过程气阀阀片处于遮动状态，研究气阀的运幼规律也即研究进排气过程气 体瓣热力学状态和阕片的佼移关系；对于可调涸滤气阕，交予增加泌壤夕 懿压叉 力，四个过程吸气阀都处于运动状态。下面将分别从进排气过程、阐流过襁和次 晷渡过程三个罄分遴行详缨讨论。 实际臌缩机的进排气等过程是相当复杂的。其，进排气过程中气体要克服 滚动疆力，气囊王凑气体熬基力不等予名义压力，显藕警予活塞位置瑟畜是变纯麓： 其二，进排气等过糨中存在着热传导，气体的温度怒变化的，气体的比热也是相 应变纯豹；箕三，痴于活塞式匿缩税周赣毪工作静特点，遴排气等过程有可能会 出现压力脉动，使进排气胶内的气体压力也是变化的。 在进捺气等过程中的理论计算中，对予上述复杂的情况，作一下简化 1 、考虑到实际压缩机均设有一定的缓冲容积，丽可略去压力脉动的影响； 2 、由于压缩祝的转速沈较高，可以认为在进摊气过程中来不及进行热交换 而视为绝热流动过程。从后丽的推馨也可以看出，住毖这样的假设大大筠化戆计 算过程，而不失模裂的精确性； 3 、把隧温度交化的比热以定比热代替。 这些假设也即把进排气等过程视为不考虑压力脉动的稳定绝热流动过糨。 对于没毒压力脉动匏遴袈 气稳是绝热浚旗过程，麸溃是憩量寄瞧定律窭发， 运用理想气体的一系列性质和绝热流动过程可推导出其热力参数关系式。 一。理想气体鲶热流动辩霹垂缭气傣黪偿努翻方程 按照热力学第一定律，在某一系统中，单位质量的气体接受的热基，用来增 辑菠夫学籁士学位诧文 烟气然鹃内链、动蹇基取宠毅羚力与摩撼力敛功，其数学激达式为： 砌：幽+ 婺+ d w 式孛，啦系绫巍攀经矮量气体爨接受豹热量 由由两部分组成：外部加入的热髓衄和内部摩擦产生的热量由。，幽和 咖2 ，2 魑流体内能和动能的增墩，d w 包括所有外力和摩擦力做功：包措重力做 璐劳、肇擦力骰凌蠢形、蓬力翡暇穗舞西龛h 入静积械功蠢k ，嚣： d w 2 d 矗繇+ g + g 氍 对理想气体，忽略纛力和摩擦力，得： o ：d e + 车十孵+ 矗睨 气体滚羟气阈辩，霹 善荐缝热无努萌翡滚动，蘧霹蠢$ 。抛2 a l 2 即在这种流动过程中，气体渤能的增加是由于焓的减少引超的，积分，得： f + 萋= 常数 若气髂是褒慧气搭，当气倦缝熬黪鼹嚣，商关系式： a v l ；p 2 口 式中，l 指膨胀箭气体状态参散，2 指膨胀后气体参数。 又根据热力学第一匙罐，终热无摩擦滚动对， 击= 一v 劫 蛰上述三个公式联立，褥： 上旦+ 生；c 露一lp2 。 上式就魑理想气体绝热流动时可压缩气体的伯努制方程 二。涟臻擞分方程 ( ) 进气过程 堇余漾容积串魏气拣彩强，冀蓬交酶绦于避气警串鹣塞爻暴宠瓣，气棼遴天 塑婆盔堂堡主璺焦笙奎 一 气缸，迸气过程开始( 注，此时气阀早已打开，这点将在第( 三) 部分做详细说 明) ，知道活塞运动到外止点结束。根据8 爨守恒定律，在整个进气过程中t 流 入气缸工作容积的气体所舆有