（轮机工程专业论文）新型节能气体增压器的研究.pdf

中文摘要 摘要 气动技术的应用遍及工业生产的各个领域，但气动系统的效率比较低，这是 制约其发展的一个重要因素。气驱气体增压器是一种基于帕斯卡原理的往复式增 压装置，它以低压压缩空气为驱动力，经转换后在增压端得到数倍乃至数十倍的 输出压力。使用气体增压器可实现不增加气源压力便使系统局部获得较高的工作 压力，另外因它无需电力，无油润滑，体积小重量轻，便携，在航空航海等多个 领域广泛应用。然而现有气体增压器在压缩行程和吸气行程都提供驱动气体，且 所供气压相同；在整个增压过程中驱动气压固定在一个较高压力值，并在做完功 后将驱动腔内压力仍较高的驱动气体全部排到大气中。这样导致增压器耗气量过 大，极大地浪费了能源，而且增加了经济成本。 针对这些节能方面的不足，本文首先介绍了气驱气体增压器的工作原理和结 构特点，通过静态计算分析了其工作性能；在此基础上，总结出了现有结构气驱 气体增压器在节能方面的几点不足。针对以上几点不足，借鉴气动系统节能方法， 并结合气驱气体增压器的工作特点，提出了五种可以减少驱动气体消耗量的节能 方案，并分别对每种节能方案的可行性和节能效果进行了评估和理论分析。而后 根据预计节能效果及实现的难易程度，有选择性地对其中两种方案进行了样机设 计和实验研究；与原有增压器在相同试验条件下进行试验对比，验证了其可行性 和节能效果。实验表明，本文提出的单行程供气节能方案省气率最高可达3 l ， 变压驱动节能方案省气率最高可达1 0 。另外，针对单行程供气节能方案出现的 增压端温度升高的问题，提出了解决方案，实验证明了此解决方案可有效地抑制 增压端温度的升高趋势。 关键词：气驱气体增压器；节能；静特性；耗气量；单行程供气 英文摘要 a b s t r a c t p n e u m a t i ct e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e di nm a n yi n d u s t r yp r o d u c t i o nf i e l d s ， h o w e v e r , i t se f f i c i e n c yi sr e l a t i v e l yl o w , w h i c hh i n d e r si t sd e v e l o p m e n ts e r i o u s l y b a s e d 0 1 1p a s c a lt h e o r y , a i rd r i v e ng a sb o o s t e ri sar e c i p r o c a t i n gk i n do fg a sc o m p r e s s o r s ，a n d i ti sm a i n l yu s e dt om a k ep a r t i a ls y s t e ma c q u i r eh i g hp r e s s u r ew i t h o u ti n c r e a s i n gt h ea i r s o u r c ep r e s s u r e w i t hi t sa d v a n t a g e so fu s i n gl o wp r e s s u r ea i ra sp o w e r , s u p e r c h a r g i n g e f f i c i e n t l y , s t r u c t u r e dc o m p a c t l y , b e i n gp o r t a b l ea n de x p l o s i o n - p r o o f , r e d u c i n gt h ec o s t a n di n s t a l l i n gs p a c e st oag r e a te x t e 鸸a i rd r i v e ng a sb o o s t e rh a sb e e nw i d e l yu s e di n m a n yf i e l d ss u c ha sl o wp r e s s u r eg a sr e c l a i m i n g ，h i g h - p r e s s u r eg a sm j e c t i o n , g a s p r e s s u r ec o m p o n e n t st e s t i n ga n dl e a kt e s t i n g 。h o w e v e r , f o rp r e v i o u sg a sb o o s t e r s ， d r i v i n ga i ri sa l w a y ss u p p l i e db o t hd u r i n gc o m p r e s s i o n s t r o k ea n ds u c t i o ns t r o k e ，a n di t s p r e s s u r ei ss r n l e ，a n da f t e rd o i n gw o r k ，d r i v i n ga i rw h o s ep r e s s u r ei ss t i l lr e l a t i v e l yh i g h , i st o t a l l yd i s c h a r g e dt ot h ea t m o s p h e r e ，w h i c hn o to n l yw a s t e se n e r g yg r e a t l y , b u ta l s o c o n s u m e st o om u c hd r i v i n ga i r t h e r e f o r e ，as e to fa i rc o m p r e s s o rw i t hm o r ep o w e ri s n e e d e d ，w h i c hi n c r e a s e st h ec o s t t h i sp a p e rb e g a nw i t ht h ea n a l y s i so fs t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fp r e v i o u s a i r d r i v i n gg a sb o o s t e r s ，s u m m a r i z e d t h e i rc o m m o nc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h e i r d e f i c i e n c i e so ne n e r g y - s a v i n gw e r ef o u n do u t t h e n , b yu s i n ge x p e r i e n c eo fa i rc y l i n d e r e n e r g ys a v i n gf o rr e f e r e n c ea n dc o m b i n i n gw i t hw o r k i n gf e a t u r e so fa i rd r i v i n gg a s b o o s t e r ，f 如ee n e r g y - s a v i n g s c h e m e sw e r ep r e s e n t e dw h i c hm i g h tr e d u c et h e c o n s u m p t i o no fd r i v i n ga i r f i n a l l y ，p r o t o t y p ew a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d ，c o m p a r i s o ne x p e r i m e n t su n d e r s a a n e c o n d i t i o n sw i t h p r e v i o u sg a s b o o s t e rw a sc a r r i e do u t , t h ef e a s i b i l i t yo ft o w e n e r g y s a v i n gs c h e m e sw e r ev e r i f i e db ye x p e r i m e n t e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w st h a t m o s t l y31 o fd r i v i n ga i rc a nb es a v e db yu s i n gt h ee n e r g y - s a v i n gs c h e m eo fs i n g l e s t r o k ea i rs u p p l yp r o p o s e di nt h i sp a p e r ，a n d10 o fc h a n g i n gp r e s s u r ed r i v i n g i n a d d i t i o n , s o l u t i o ns c h e m ef o rt e m p e r a t u r ei n c r e m e n to fs i n g l es t r o k ea i rs u p p l yw a s p r o p o s e d ，a n dw a sv e r i f i e db ye x p e r i m e n tt h a tt h es o l u t i o ns c h e m ec o u l de f f e c t i v e l y c u r bt h ei n c r e a s et r e n d 英文摘要 k e yw o r d s ：a i rd r i v e ng a sb o o s t e r ；e n e r g y - s a v i n g ；s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ；a i r c o n s u m p t i o n ；s i n g l es t r o k ea i rs u p p b r 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= =麴型苴能氢佳增压矍的巫究：。除论文中已经注明 引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未 公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 ，_ 一n 学位论文作者签名：乒u _ 少 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到 a 时 凡，达到增压目的。a 与口的面积差越大，增压比越大。增压效果 越明显。根据驱动介质的不同，可有气气增压装置和液气增压装置。利用空气作驱 动介质具有成本低、无污染等优点，因而在生产实践中有着更广泛的应用。 12 2 气驱气体增压器 气驱气体增压器是高压往复式压缩机的一种，其可实现在不增加气源压力的情况 下，获得较高的工作压力。它不需要电力和润滑，结构紧凑、重量轻，可更加灵活有效 地提供高压气体，在生产实践中应用广泛，比如从存储容器回收低压气体、水下呼吸器 和消防罐呼吸气体供给的系统、给直升飞机弹射浮筒用的蓄能器和高压气瓶充气等【翊。 r e # l , 主要以下几家产品【船删： 图12 美国h a s k e l f i g 12 h a s k e l u s a 图13 美国i n t e r f a c e d e v i c e f i g1 3i n t e r f a c ed e v i c eu s a 黪罄 圈14 德国m a x i m a t o r f i g i4m a x i m a t o r g e r i t l a n y 图l5 美国s c f i g 15s c u s a 第1 章绪论 以上产品在结构上有以下共同特点： ( 1 ) 基于帕斯卡原理实现增压，叩利用大面积驱动活塞推动小面积增压活塞，实现 以低压空气为驱动对气体的高压增压。 ( 2 ) 利用位于驱动腔两端盖的机械接触式先导阀对主换向阀阀芯两墙充放气来实现 增压器的自动换向及连续往复运动。 ( 3 ) 单级增压将驱动腔的废气引至增压腔外围套筒实现对高压输出气体的冷却，取 作用多由一端到另一端串联冷却；双级增压在级间设置中间冷气器。 “) 通过双头螺栓将驱动腔与增压腔譬箍在一起，将各段组装成一个整体并实现静 密封。i n t e r f a c ed e v i c e 使用模块化回路设计，漏泄少，结构紧凑，体积小 ( 5 ) 驱动活塞常采用铝合金以减轻重量；高压缸体采用不锈钢以确保缸体强度。 ( 6 ) 高压活塞密封多采用混合型p t f e ：采用无油润滑，无须安装润滑器。 国内主要以下几家增压器产品叫】： 图1 6 台湾敢境 f i g1 6 d c i c r t a i w a n 图l8 济南德科 f i g1 g d e k ej i m m 图19 济南思明特 f i g l9 s m i n g kj l 一 譬莎 新型节能气体增压器的研究 国内公司大都起步较晚，主要引进国外先进的产品技术改造而成，其产品的品质和 工作性能及寿命都不及国外产品。国内外气体增压器产品性能指标汇总在表1 - l 中。 表1 1 国内外气体增压器产品性能指标 t a b 1 1s p e c i f i c a t i o n so fa b r o a da n dd o m e s t i cp r o d u c t s 1 3 气缸节能研究现状 气体增压器的本质为通过供给位于驱动腔内的大面积活塞低压压缩空气( o 5 m p a ) ，回 程用0 1 0 2 m p a 工作，节能可达2 5 - - , 3 5 e 4 9 5 2 1 。 图1 1 3 降压驱动节能回路 f i g 1 1 3t h ec i r c u i to f r e d u c i n gd r i v i n gp r e s s u r ee n e r g yc o n s e r v a t i o n 尽管采用降压供气驱动活塞返回可以达到节能的目的，但高压气源在降压过程中也 要损失一部分能量。文献【5 3 】介绍了一种差动回路即气缸的两个运动方向采用不同压力供 8 新型节能气体增压器的研究 气的回路，比一般的双作用气缸回路节省压缩空气消耗量，但是在气缸速度比较低的时 候容易发生爬行现象。 1 3 3 气罐回收节能的研究现状 ( 1 ) 重复利用无杆腔中有压空气使活塞退回，变双程耗气为单程耗气 对于实际生产中广泛使用的气缸来说，许多是正行程有外加负载，回程无外加负载， 只需克服自身的摩擦阻力。针对这种情况，日本s m c 筑波技术中心小根山尚武和我国 华南理工大学的李建藩教授分别提出了一种节能气压传动系统( 简称e s p s ) ，如图1 1 4 中1 ) 和图1 1 4 中2 ) 所示 4 e # s g i 。 如图1 1 4 中1 ) 所示，气缸完成一个工作行程后，重复利用原工作腔内有压空气驱 动活塞返回，以实现节能，并根据实际需求设计了回收阀。又由图1 1 4 中2 ) 可见，该 节能系统由双作用气缸a ，双控二位五通阀d v l 、双控二位三通阀d v 2 和蓄能气罐c 组成，通过重复利用活塞杆伸出后气缸无杆腔内的压缩空气驱动活塞返回，从而变双程 耗气的常规系统为单程耗气的节能系统，可以节省耗气量近5 0 。 收阀 b o a l 2 ) 第1 章绪论 3 ) 图1 1 4 变双程耗气为单程耗气的节能回路 f i g 1 1 4e n e r g y - s a v i n gc i r c u i to f s i n g l es 廿o k ea i rc o n s u m p t i o n 同样，如图1 1 4 中3 ) 所示，文献 5 9 ，6 0 通过几种气动元件的有效组合将气缸排气 腔的压缩气体回收起来，让它再次做功，推动气缸活塞返回，这样也可以减少压缩空气 的用量，节省了能源。 但上述三个节能回路中，存在以下问题： 1 ) 每个气缸均需配备一个适当大小的蓄能气罐，增加了安装困难； 2 ) 要使气缸可靠的完全退回，气罐所蓄能量必须供给气缸驱动腔足够的能量，因 此，所需气罐容积的选取较复杂，如气缸供气压力降低，气罐容积也必须相应减小，否 则气缸活塞便不能完全返回等等。 ( 2 ) 气缸垂直向上安装回路中的气罐节能方法 文献 4 6 ，6 1 介绍了如图1 1 5 所示的节能回路，气缸在往复运动中进行排气时，将部 分排气回收，也能减少压缩空气消耗量。 在图1 1 5 中，减压阀被调定为较低的压力，气缸无杆腔不排放压缩空气，由气罐引 出的气体，经减压阀减压引入气缸有杆腔。电磁阀通电，气缸上升，压缩空气进入气缸 的无杆腔，气缸有杆腔的低压气体经电磁阀排出向大气。电磁阀断电，气缸在负载重力 新型节能气体增压器的研究 的作用下缩回，气缸无杆腔的压缩空气被压回气罐，由此将回路耗气量降至最小。 图1 1 5 气缸垂直向上安装节能回路 f i g 1 1 5e n e r g y s a v i l l gc i r c u i to f c y l i n d e ru p r i g h ti n s t a l l e d 但由于该节能方法要求气缸垂直向上安装回路，因此应用范围较窄，而且活塞伸出 行程时，气缸排气腔的压缩气体直接排向了大气。 1 4 本课题研究内容 围绕气体增压器的节能问题，本文的研究内容及研究思路如下： ( 1 ) 首先研究气体增压器的基本结构、工作过程；考查经增压器将两个低压气瓶内 的低压气体增压到一个高压气瓶的增压过程，对进排气压力、进排气体积、耗气量、停 机压力等增压器各主要特性参数进行静态计算，分析各参数在此过程中的变化规律及增 压器在增压过程中的工作特点，研究余隙容积的大小对增压器性能的影响。 ( 2 ) 以研究所得增压器的工作特性为基础，分析现有气体增压器在节能方面的不足 之处。 ( 3 ) 从驱动气体的供给策略和排气回收两方面，提出了变压驱动、差压驱动、单行 程供气、弹性气囊节能和双驱动活塞节能五种节能方案，对每种方案的可行性进行了初 步评估，对其节能效果进行静态计算和理论研究。 第1 章绪论 ( 4 ) 对变压驱动节能方案进行控制回路设计，对增压端气体推动节能方案进行了样 机研制。 ( 5 ) 搭建试验台，在不同工况下进行试验，与原有增压器在相同试验条件下的实验 结果进行对比，在实验层面上验证这两种方案的可行性和节能效果。另外，针对单行程 供气节能方案出现的增压端温度升高的问题，提出解决方案，用实验证明此解决方案的 降温效果。 新型节能气体增压器的研究 第2 章现有气体增压器节能性分析 影响气体增压器性能的因数和参数很多，只有对现有增压器的结构形式及工 作特点有了深入了解，才能找出节能改进的关键点和突破点，提出切实可行有效 的节能方案。本章主要对现有气驱气体增压器的结构形式和工作特点进行分析， 通过静态计算深入分析增压器的静态工作性能，在此基础上提出增压器在节能上 的几点不足。 2 1 气体增压器工作原理与结构 278 6 1 61 21 59 1 4 1 ) 气控换向阀2 ) 左先导阀3 ) 右先导阀4 ) 驱动腔5 ) 捧气腔6 ) 驱动气缸7 ) 驱动活塞8 ) 活塞 连杆9 ) 增压气缸1 0 ) 增压活塞1 1 ) 冷却缸套1 2 ) 增压气缸端盖1 3 ) 进气单向阀1 4 ) 捧气单 向阀1 5 ) 捧气消音器1 6 ) 轴承呼吸器1 7 ) p 进气压力1 8 ) p b 排气压力1 9 ) p l 驱动压力 图2 1 增压器工作原理图 f i g 2 1w o r k i n gp r i n c i p l eo f g a sb o o s t e r 第2 章现有气体增压器节能性分析 现以单驱动单作用单级气驱气体增压器为例，说明其基本工作原理、结构组 成和具体工作过程 6 2 9 1 。如图2 1 所示，气体增压器主要分为驱动端和增压端。 面积较大的驱动活塞7 位于驱动腔6 内，面积较小的增压活塞1 2 位于增压腔9 内， 活塞连杆8 将两活塞连接在起。气控换向阀1 位于驱动腔右端盖内，控制活塞 的换向；左右先导阀2 和3 分别位于驱动腔左右端盖，控制气控换向阀的切换。 进排气单向阀1 3 和1 4 位于增压腔端盖1 0 内。 其具体工作过程为：刚通上驱动气源时，气控换向阀l 在驱动气体的推动下 首先位于左位，驱动气体经换向阀p 口和a 口进入驱动无杆腔，推动驱动活塞7 进行压缩行程。在此行程过程中，驱动有杆腔内气体经换向阀1 的b 口和r 口排 到冷却缸套1 1 中，增压缸体9 内气体在高压活塞1 2 的压缩下经排气单向阀1 4 排 出。当运动到压缩行程末端时，驱动活塞7 触碰到右先导阀3 ，使换向阀大面积先 导端通气，换向阀1 换向至右位。气源经换向阀的p 口和b 口进入驱动有杆腔， 活塞组件在驱动气体和进气对高压活塞的推力的共同作用下向左运动，开始吸气 行程。低压气体经进气单向阀1 3 进入增压腔9 内。在吸气行程过程中，驱动无杆 腔内气体经换向阀的a 口和r 口排到冷却缸套1 1 ，最后经消音器1 5 排放到大气。 当活塞运行到吸气行程末端时，驱动活塞触碰到左先导阀2 ，换向阀l 大面积先导 端气体被泄放，换向阀再次切换至左位，实现增压器的连续往复工作。 增压装置的实质是一种能量转换装置，从能量守衡的角度看，其总能量为压力 与流量的乘积，是保持不变的，输出压力的增加必然导致输出流量的减少。 2 2 气体增压器静态性能分析 考察图2 。2 所示的经增压器将两个低压气瓶内的低压气体增压到一个高压气 瓶的等温准静态增压过程，分析此过程中增压器各静态特性参数的变化规律。根 据增压器在吸气和压缩过程中气体遵循质量守恒的原则，进行了如下静态计算【6 2 1 。 新型节能气体增压器的研究 图2 2 气体增压静态计算模型 f i g 2 2s t a t i cc a l c u l a t i o nm o d e lo f g a ss u p e r c h a r g i n g 2 2 1 进排气压力 第k 次循环时，吸气前余隙容积内气体+ 进气瓶内气体= 吸气后增压腔内 气体+ 进气瓶内气体，可表示为： 珞一。+ p s 川= ( 圪+ ) 只。( 2 1 ) 其中，v 0 ，k 。，v c 分别为余隙容积、进气单向阀之前容积的体积( 包括进气 管路和进气瓶体积) 、增压腔总体积( 包括工作腔体积和余隙容积) ；尸s b l ，1 分别为第缸1 次循环吸气和排气压力。 同样地，压缩前增压腔内气体+ 高压气瓶内气体= 压缩后余隙容积内气体 + 高压气瓶内气体， + p o , 。= ( v 0 + ) ( 2 2 ) 其中，为排气单向阀之后容积的体积( 包括排气管路和高压气瓶体积) 。 由此得出第k 次循环进排气压力为： 如= 彘”彘 ( 2 3 ) 第2 章现有气体增压器节能性分析 = 百笔忍+ 甍如一t ( 2 4 ) 图2 3 为在增压过程中进排气压力随循环次数的变化曲线。 一 锬 钆 瑟1 2 钆9 奋6 好3 蚕o 02 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 0 循环次数次 图2 3 进捧气压力变化曲线 f i g 2 3c u r v e so fi n l e ta n do u t l e tp r e s s u r e 由图可看出：随着增压充气的进行，排气压力逐渐升高，进气压力逐渐下降； 在增压前期两曲线的变化速率都比较大，而到了中后期排气达到一定高压力值后 两曲线都逐渐趋于稳定。图2 4 为在相同条件下进排气压力随时间的实验变化曲 线，由图可看出，计算所得进排气压静态曲线与实验曲线趋势相同，证明通过静 态计算来分析气体增压器的工作特性是可行的。 1 8 1 5 星1 2 奋9 艾6 蒋 捌3 0 7 弋暑 、排气压力 7 晰臧赢湍 05 0 01 0 1 5 0 02 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 时间s 图2 4 相同条件下进排气压力实验曲线 f i g 2 4e x p e r i m e n t a lc u r v c so fi n l e ta n do u t l e tp r e s s u r eu n d e rt h e5 a m cc o n d i t i o n 新型节能气体增压器的研究 将每次循环排气压力与相对应的进气压力之比定义为压缩比，即： 毛。= 如气 压缩比在增压过程中随循环次数的变化曲线如图2 5 。 2 5 2 0 u ；1 5 婿1 0 幽5 o ， jtt o2 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 0 循环次数次 图2 5 压缩比变化曲线 f i g 2 5c u r v eo f c o m p r e s s e dr a t i o ( 2 5 ) 由图2 5 看出，压缩比随着充气过程的进行逐渐增大，前期增加较快，后期逐 渐变慢；压缩比是一个变量，表示气体被压缩的程度；而增压比= - a 口则是一个 定值，它表示增压器所具有的对气体的最大压缩能力。 2 2 2 排气量 排气量指的是在单次循环中增压端排出的被压缩气体转换成标准大气压下的 体积。排气量= 压缩前增压腔内气体体积一压缩后余隙容积内气体体积，即： = 半 ( 2 6 ) 其中，为第七次循环排气量。 图2 6 和2 7 分别为排气量在增压过程中随压缩比和排气压力的变化曲线，由 两图可知，随着充气过程的进行，每循环排出的气体量逐渐减少，最后接近为零。 第2 章现有气体增压器节能性分析 4 号3 k 啊2 蒌t o 4 号3 k 啊2 圹 枯1 0 l 。? 051 01 52 02 5 增压比i c 图2 6 排气量变化曲线 f i g 2 6c u r v eo f d i s c h a r g ev o l u m e jj 3 6 91 21 51 8 捧气压力e o n a p a 图2 7 排气压力排气量曲线 f i g 2 7c u r v eo f o u t l e tp r e s s u r e - d i s c h a r g ev o l u m e 排气量公式( 2 6 ) 可进一步表示为： p 吃= 等( 一i c y o ) 口 ( 2 7 ) 当增压器的排气量为零时，由式( 2 7 ) 可求得增压器的最大压缩比： f 一圪 。c m a x f 70 ( 2 8 ) 最大压缩比表示增压器对气体压缩可达到的最大程度。若在生产线中可提供 的进气压力风，则通过增压器增压后可获得的最大气体压力p o 一为： 尸o i 武= 忍。 ( 2 9 ) 相反地，若想获得压力为p 0 的高压气体，则提供的最低进气压力p s m i n 应为 新型节能气体增压器的研究 ：粤 ( 2 1 0 ) 另外，由式( 2 8 ) 可知，最大压缩比是由余隙容积和增压腔容积的比 值决定的。设计时二者尺寸确定后，增压器所具有的最大压缩比就确定了。若想 获得大的最大压缩比，就应考虑减小余隙容积。例如，当最大压缩比为2 5 ：l 时， 余隙容积必须小于增压腔容积的4 。另外，若余隙容积过大，其内高压气体即使 在高压活塞回行到吸气行程的最末端，增压腔内气体压力也不能降低到进气压力 之下，此时增压器不能再吸气和排气，即出现了空吸空排现象。故在设计时应使 余隙容积尽量小。 2 2 3 耗气量 耗气量指的是驱动气体的消耗量转换成标准大气压下的体积。单次循环的耗 气量瑰为吸气行程和压缩行程所消耗的驱动空气之和： 州2 a - a o ) 噜 ( 2 1 1 ) 其中，a o ，s ，分别为连接杆直径、活塞行程和驱动气体压力。 由式( 2 1 1 ) 可知，每次循环的耗气量都是一个定值。循环次数不断增加， 总的空气耗气量也不断增加。在增压器实际工作中，排气压力较小时，活塞运动 较快，驱动腔内压力还没来得及达到驱动气源压力尸d ，就己达到行程末端进行了 换向，故实际耗气量应小于由式( 2 1 1 ) 计算出的耗气量。 2 2 4 停机压力 随着增压的不断进行，排气压力不断升高。当其升高到某一值时，活塞杆的 两端达到静力平衡，增压器停止工作。此时的排气压力称为停机压力i ，由静 力平衡方程： 口i = 雠( 2 1 2 ) 可求得： 第2 章现有气体增压器节能性分析 = 詈昂= 如 ( 2 1 3 ) 停机压力表示理论上增压器所能达到的最大压力，由驱动活塞和高压活塞的 面积比( 增压比) 和驱动压力决定。因它是由活塞杆两端静力平衡而得，故若排 气端压力因使用或漏泄等原因下降，则此静力平衡被破坏，增压器在驱动腔端不 平衡力的作用下又开始压缩，直到排出压力达到停机压力，恢复静力平衡为止。 增压器的此种特性称为保压特性。此时增压器既不消耗能量也不产生热量。 另外，由式( 2 1 0 ) 和( 2 1 3 ) 计算出来的最大排气压力都是理论值，增压器 实际可达到的最大排气压力为二者中的较小者，是由增压比f 、压缩比记、进气压 力p s 和驱动压力尸d 四个因素共同决定的。若i 较小，则排气达到停机压力后 停止工作；若尸嘶较小，则增压器最终会出现空吸空排现象。在实际使用中，必 须合理协调四个因素的大小，才能获得预期压力的高压气体。例如，欲使用增压 比为3 0 、最大压缩比为2 5 的增压器将气体增压到18 m p a ，则进气压力和驱动压力 最低应保持在0 7 2 m p a 和0 6 m p a 。 2 2 5 容积效率 将一个循环中排出气体的体积与吸进来气体的体积的比值称作容积效率刁v ， 以衡量增压器工作的效率，其变化曲线如图2 8 所示。 亭0 羹： 粲缸0 珈= 甏小芒 o5l o1 52 02 5 压缩比f c 图2 8 容积效率变化衄线 f i g 2 8c u r v eo f v o l u m e t r i ce f f i c i e n c y 新型节能气体增压器的研究 由图28 可知。随着压缩的进行，容积效率逐渐减小：当排气压力达到较高值 时，容积效率已非常低；考虑i b 减小磨损和节省驱动气体，在实际使用中尽量将 增压器容秘效率保持在3 0 以上【“i ，此外，在增压器选型时，应选择最大压缩比 比实际需要略大的增压器，这样不但可以保证在增压的后期仍具有较高的容积效 率。而且可以缩短克气时间。 226 采隙窖积对增压器性能的影响 余隙容积是指当高压活塞运动到行程终点时增压腔的体积，主要包括从高压活 塞顶端至进排气单向阀之间的流道的体积惮1 如图29 所示。 圈29 余隙容秘 由于余隙容积的存在，每次爪缩行程结束时增雎腔内总剩余一部分气体，此 部分气体的压力为每次循环的排气压力尸0 女，在增压过稗中随增匝循环次数的不 断进行而逐渐升岛，由于这部分气体的存在，在吸气行程，待增压气体并不能立 即就进入增压腔，而是当增压活塞回行剑某一位置，使残存气体因膨胀压力降低 到进气压力以f ，才开始真l e 的吸气另外这部分气体对增压活塞具有定推力。 以上两方曲使余隙容积的大小对增压器的性能有一定的影响。图21 0 和21 】分别 为余隙容积为增压腔总容积的2 、4 和6 时排气压力和容职效率的曲线对比。 山图21 0 可看出，余隙容积越小排气压力上升的速率越大，h 存相吲实验条件r 排气压力最终可达到的压力也越大：相同循环次数余隙容积小的排气址山值大于 第2 章现有气体增压器节能性分析 余隙容积大的排气压力值。由图2 1 l 可看出，余隙容积小的容积效率曲线在容积 效率大的之上，相同循环次数余隙容积小的容积效率高。 _ ，一 ? 易毛；一 么 增压工作腔懈 一茹主主器嚣藏 7 增压工作腔懒 ， 1 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 0 5 0 循环次数次 图2 10 余隙容积大小对排气压力的影响 f i g 2 i 0i n f l u e n c eo f d i f f e r e n tv a l u eo f c l e a r a n c ev o l u m eo ne f f e c t i v ec o m p r e s s i o ns t r o k e 1 2 1 0 8 f n - 0 6 较 聪 套缸0 4 o 2 o 一增压工作腔的荔 专暮三三三二嚣篆王簇薹器盏 心? 7 ? 、? 毒 1 0 2 0 0 03 04 0 5 0 循环次数，次 图2 1i 余隙容积大小对容积效率的影响 f i g 2 11 i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tv a l u eo fc l e a r a n c ev o l u m eo nv o l u m e t r i ce f f i c i e n c y 通过以上的分析我们发现，在增压充气过程中，余隙容积对气体增压器的工 作性能具有非常大的影响，且减小余隙容积可提高增压器的各项性能。然而实际 殂 均 h 坫 n n 9 ， 0 一自苣r坦r垂 薪型节能气体增压器的研究 设计制造中，由于排气流量的要求和加工制造技术的限制，余隙容积一般为增压 腔总容积的3 * o - - 8 2 2 6 5 1 。 2 3 现有气体增压器节能性分析 由上面对增压器工作原理和静态特性分析可知，现有气体增压器在节能方面 有以下特点： 2 3 1 驱动气体压力方面 由对气体增压器帕斯卡工作原理的分析可知，气体增压的本质就是通过驱动 活塞与增压活塞之间的面积比将驱动力成比例地扩大，从而在增压侧得到高压气 体；由停机压力公式( 2 1 3 ) 知，给定一个驱动压力值就对应一个增压后的压力值。 相反，每一个排压值就对应着一个最低驱动压力值。由排气压力的静态分析及图 2 3 可知，在整个增压过程中，排气压力是由低到高逐渐升高的。故在整个增压过 程中，驱动压力没必要一直固定在一个较高的压力值，可由低到高逐渐升高，如 图2 1 2 所示。 时间t 图2 1 2 驱动气压对气体增压器节能性能的影响 f i g 2 1 2i n f l u e n c eo f d r i v i n ga i rp r e s s u r eo ne n e r g y s a v i n gp e r f o r m a n c eo f g a sb o o s t e r 第2 章现有气体增压器节能性分析 由图21 2 可看出，由停机压力公式反解出的最低驱动压力曲线始终在恒驱动 压力曲线之下，这也就是意味着在整个增压过程中，现有增压器多消耗了阴影部 分所示的驱动气体。 232 驱动气体供应方式方面 由对气体增压器工作过程的分析可知，气体增压器在压缩行程和吸气行程都 供给驱动气体，且所供驱动气体压力相同。而气体增压嚣只在压缩行程对增压腔 内气体进行压缩做功，在吸气行程无需压缩气体，并不做功，阻力小，因此不必 供给吸气行程和压缩行程相同压力的驱动气体：另因增压端余隙容积和进气对增 压活塞具有一定推力，甚至可在吸气行程切断气源不供给驱动气体。图21 3 为 压缩行程保持驱动气压为06 m p a ，在吸气行程所供驱动气体压力分别为02 m p a 、 o4 m p a 和0 6 m p a 时耗气晕随循环次数的曲线对比。 2 0 0 1 6 0 j1 2 0 蚓 r 蠼8 0 02 0 0 04 0 0 00 0 0 08 0 0 0 循耶次数次 图21 3 各种供气方式耗气量随循虾次数的变化曲线对比 f i g2 13 c o m p a r i s o n o f a c o n s u m p t i o nc h a n g ec t t t w e $ w i t hc y c l e f o rd i f f e r e n t m rs u p p l y m o d e s 由图21 3 可看出，总耗气景由压缩行程和吸气行程两部分组成两千- 程耗气 量都随循环次数呈直线增加；吸气行程驱动压力为02 m p a 和04 m p a 时总耗气量 曲线都在驱动压力为06 m p a 时的曲线之f ，吸气行程驱动气压减小后总耗气量减 新型节能气体增压器的研究 少；相同循环次数，吸气行程驱动气压越低，增压过程总耗气量越小。若在吸气 行程切断气源，不对其进行供气，则此时的耗气量就只是压缩行程的耗气量。 由以上分析可知，吸气行程驱动压力越大，总耗气量也就越大，现有增压器 对吸气行程供给与压缩行程相同压力的驱动气体实际上是一种能量的浪费。 2 3 3 驱动气体排气方面 由对气体增压器工作过程的分析可知，现有气体增压器在每个行程末期都将 工作腔内的驱动气体排放到大气，而由图2 1 4 可知，这部分气体的压力在行程末 期反而是较高的。一次循环排放的驱动气体量虽有限，但气体增压器长期工作， 这将是能量的一种巨大浪费。 皂 r 幽 蛙 旷 臀 群 j 。 l 一 n f 座珀仃程 。及气仃往l i 、 7 1 7 9 97 9 9 58 0 08 0 0 58 0 l 时间s 图2 1 4 工作腔驱动气压在单次循环中的变化曲线 f i g 2 1 4c h a n g ec u w eo f d r i v i n ga i rp r e s s u r ed u r i n go n ec y c l e 2 3 4 余隙容积的影响 由本章2 2 节知，余隙容积的大小对增压器的性能影响较大。由图2 1 0 可知， 余隙容积越小，达到同一排气压力值所用循环次数越少。图2 1 5 所示为排气压力 达到1 7 m p a 时，余隙容积分别为增压腔总容积的2 、4 和6 所用循环次数。 由图2 1 5 可看出，余隙容积为2 时，所用循环次数为2 6 9 2 次，4 时为3 2 2 5 次，6 时为4 4 11 次，余隙容积越大，达到相同排气压力所用循环次数越多。由式 6 5 4 3 2 1 0 o o o o o n 第2 章现有气体增压器节能性分析 ( 2 1 2 ) 耗气量公式可知，每次循环耗气量为定值，循环次数的增加势必引起耗气 量的增加。不同余隙容积在排气压力达到1 7 m p a 时所消耗的驱动气体量如图2 1 6 所示。 嚣 蠢 题 酹 器 罢 霹 耀 r 图2 1 5 余隙容积对达到相同排气压力所用循环次数的影响 f i g 2 1 5i n f l u e n c eo f c | e a r a n c ev o l u m e0 1 1c y c l e sn e e d e dw h e np o t r e a c h e ss a r n cv a l u e ， 图2 1 6 余隙容积对达到相同排气压力时耗气量的影响 f i g 2 1 6i n f l u e n c eo f c l e a r a n c ev o l u m eo na i rc o n s u m p t i o nw h e n p a t r e a c h e ss a m cv a l u e 由图2 1 6 可看出，排气压力达到1 7 m p a 时，余隙容积为2 、4 和6 的耗 气量分别为6 4 7 m 3 、7 7 5 m 3 和1 0 5 9 m 3 ，耗气量随余隙容积的增大而增加，且增加 新型节能气体增压器的研究 速率也随余隙容积的增大而增大。因此在设计时，应尽量使余隙容积小，这样不 但增强增压器的工作性能，还可节省驱动气体。 2 3 5 现有气体增压器节能上的不足 对于用气设备，所谓的节能主要是指在保证完成任务的同时，尽量减少用气 设备的气体消耗量；而对于气驱气体增压器来讲，就是按要求完成增压任务的同 时，尽量减少驱动气体的消耗量。 根据以上对现有气体增压器节能性的分析可知，现有气体增压器在节能方上 存在一些不足，主要集中以下四个方面： ( 1 ) 供气方面：在增压的整个过程中，驱动压力保持不变；在吸气和压缩行程 都供气，且所供驱动压力相同； ( 2 ) 排气方面：在行程末期，驱动腔内压力仍较高的驱动气体全部直接排放到 大气； ( 3 ) 余隙容积：其余隙容积大小有进一步减小的空间。 2 4 本章小结 本章首先对现有气驱气体增压器的工作原理和结构组成进行了分析，通过静 态计算得出了气体增压器主要静态特性参数的计算公式，通过对其变化曲线的分 析，对在增压过程中气体增压器的静态性能进行了深入的研究，总结出了现有气 驱气体增压器的工作特点；之后在对增压器性能充分了解的基础上，对现有气体 增压器的节能性进行了分析，找出了其在节能上驱动气体压力、供气方式和排气 利用三方面的不足，为下面节能方案的提出提供了依据和突破点。 第3 章气体增压器节能方法研究 第3 章气体增压器节能方法研究 本章根据第2 章对现有气驱气体增压器性能和在节能方面几点不足的分析，从驱动 气体的供给策略和排气回收二次利用两方面入手，提出五种节能方案，并对各方案加以 介绍分析，对其节能效果进行了理论静态计算。 3 1 供气节能方案 根据2 3 节的耗气量分析，现有增压器在供