（化工过程机械专业论文）往复压缩机压开吸气阀气量调节的理论与实验研究.pdf

摘要 往复压缩机部分行程压开设气阀调节是一种调节范围大、操作简单且经济实用 的排气量调节方法。通过一定装覆延缓吸气阀关闭，使一部分气体在压缩前回流到 进气赃，从而在减少排气量的同时降低了能耗。 本文从压缩机工作循环的热力学过程、调节工况下的阀片运动规律变化等方面 对此种调节方式进行了详细分析，论证了其气量变化规律与节能效果，并分析了调 节机构对压缩机气阀可能造成的影响，为具体调节机构的设计提供了依据，还对一 种采用旋转式压力分配器控制压开时间的调节系统进行了实验研究。 论文的具体研究内容有： 1 对压缩机征开吸气阀调节的工作循环进行了合理简化，通过对简化循环的 热力学分析，建立了排气量、指示功与吸气阀顶开时间的函数关系，并讨 论了排气量变化的定性规律，验证了其节能效果； 2 建立了气阀中的气体流动微分方程与阀片运动微分方程，对不同调节工况 下的气阀运动规律进行数值模拟，分柝了阀片撞击阀座与升程限制器的速 度变化，指出了避免出现过大撞击力的措施； 3 。箍单介绍了一种利用旋转式压力分配器来连续改变压开时间的调节装置， 并对其中的转子速度控制与套筒位置控制系统作了浅析：后对该装置进行 了原理性实验，结果表明：通过改变套筒位置，加压时间能够连续改变； 4 首次在一台小型压缩机上对机构进行实际调节试验，结果表明：该机构通 过改变压开吸气阎的时间，可以使压缩机的排气量实现3 0 9 0 之间的 连续调节。研究中得出的排气量计算公式具有一定实用意义，为最终实现 0 1 0 0 范围内的无级调节完成了第一阶段的研究工作。 关键词 往复压缩机压开吸气阔气量调节部分行程旋转式压力分配器 a b s t r a c t u n l o a d i n gi n l e tv a l v e sa tp a n i a ls t r o k ei so n em e a r l so fc a p a c i t y r e g u l a t i n gf o r r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o r ，a n di tp o s s e s s e se c o n o m i c ，f u l l r a n g ea n d e a s y - u s i n g c h a r a c t e r w i t hi n l e tv a l v e su n l o a d e db ys o m ed e v i c e ，g a sf l o w sb a c ki n t os u c t i o nc a v i t y b e f o r eb e i n gc o m p r e s s e d ，w h i c hc a l ls a v et h ee n e r g y c h a n g i n gt h ed u r a t i o no f u n l o a d i n g i n l e tv a l v e sc o n d u c e st ov a r y i n gc a p a c i t yt h e o r e t i c a l l yi nt h er a n g eo f o 1 0 0 c o m p r e s sc i r c u l a t i o no fa ni d e a l g a sr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o rw i t hu n l o a d e di n l e t v a l v e sw a sa n a l y z e da n daf o r m u l aw a sd e d u c e dt oc a l c u l a t ec a p a c i t y n u m e r i c a l s i m u l a t i o no fu n l o a d e dv a l v ed y n a m i c ss h o w si n f l u e n c eo ft h eu n l o a d i n gs t r u c t u r e ，a n d s o m ea d v i c ew a sg i v e nf o rd e s i g no f u n l o a d i n gs y s t e m e x p e r i m e n to nc a p a c i t yc o n t r o l s y s t e mw i t hr o t a t i o n a lh y d r a u l i cd i s t r i b u t o rr e p r e s e n t st h er e a lr e g u l a t i o ne f f e c t t h r o u g ht h i sr e s e a r c ht a s k ，t h ef o l l o w i n gt o p i c sc a nb eo b t a i n e d ： 1 c o m b i n e dw i t ht h es i m p l i f i e dt h e r m o d y n a m i c sc i r c u l a t i o no fc o m p r e s s o r ，t h e t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no fc a p a c i t ya n di n d i c a t e dp o w e rh a sb e e nd e d u c e d ，a n d t h er e g u l a t i o np r i n c i p l ew a sr e v e a l e d 2 d i f f e r e n t i a le q u a t i o n so fg a sf l o wa n dv a l v em o t i o nw e r ee s t a b l i s h e d ，a n d c o m p u t e ra i d e da n a l y s i sw i t hv a r i e du n l o a d i n gt i m ew a sc a r r i e do u t m e a n st o r e d u c et h ei m p a c tb e t w e e nv a l v ep l a t ea n dv a l v es e a tw e r es u g g e s t e d 3 as i m p l ec a p a c i t yr e g u l a t i o ns y s t e mw i t 】hr o t a t i o n a lh y d r a u l i cd i s t r i b u t o rw a s i n t r o d u c e d ，a n dt h et h e o r yo fr o t a t o ra n dd i s t r i b u t o rc o n t r o lb ym i c r o p r o c e s s o r w a se x p l a i n e d r e s u l to ft h e o r e t i c a le x p e r i m e n ts h o w st h a tt h eu n l o a d i n gt i m e c a nb ec o n t r o l l e d 4 e x p e r i m e n to ft h ec o n t r o ls y s t e mo nar e a lr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o rh a sb e e n a c c o m p l i s h e d ，t h er e s u l t si n d i c a t e ：w i t ht h ed u r a t i o no ft h eu n l o a d i n gf o r c e c o n t i n u o u s l yr e g u l a t e d ，t h ec a p a c i t yv a r i e sf r o m9 0 t o3 0 a c c o r d i n g l y k e y w 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 ， c a p a c i t yc o n t r o l ，p a r t i a ls p o k e u n l o a d e di n l e tv a l v e ， r o t a t i o n a lh y d r a u l i cd i s t r i b u t o r 新江大学硕士学位论文 一一一卸荷力 只一一弹簧力 f t 一一气体力 p d 一一排气压力 ，。一一吸气压力 忱一一名义排气压力 p 】一一名义吸气压力 圪一余隙容积 聪一行程容积 k + 一一等效行程容积 埘一膨胀多变指数 p - 一阀隙气体密度 c 。一一阀隙当量流速 品一一活塞面积 c 一一瞬时活塞速度 l 一一气缸同侧吸气阍数 a t e 一一吸气阔等效通流面积 p 1 一一吸气腔气体密度 r 一通用气体常数 乃一一吸气温度 p + 一一回流结束时缸内压力 r 一一调节时压开吸气阀数 n 一一压缩多变指数 乃一一排气温度 符号说明 2 一一气缸同侧排气阀数 只1 4 4 2 。一一排气阀等效通流面积 r 1 4 k 一一有效进气容积 p 1 5 q v 一压缩机排气量 r 1 6 p 一一回流结束气体温度 e 1 6 j ，一一回流结束时活塞位移p 1 6 c + 一一回流结束时活塞速度 p 1 6 一曲柄半径与连杆长度比p 1 6 伊一回流结束曲柄角度 r 1 6 s 一活塞行程r 1 6 8 - - 一压缩比 e 1 6 七一等熵指数 p 1 6 e - - 一相对余隙容积r 1 6 驴一一气量调节比p 1 6 文一一吸气相对阻力损失p 1 6 函一一排气相对阻力损失 p = 1 6 p r 一回流等压线 r 2 0 ，一一曲柄半径r 2 0 一一压缩机转速p 2 0 4 一一回流相对阻力损失p 2 0 厶一一指示功p 2 0 f - 一吸气腔气体比焓p 2 3 e 一缸内气体比内能p 2 3 c v 一一定窑比热容p 2 3 4 4 4 0 0 n 他 他 他 堙 ” ” b n b n b ” b h h h p p 只 p p p p p p p p p r p 只 p 凸二 p p 只 p p p p 浙江大学硕士学位论文 岛一一定压比热容 z 一一气体压缩性系数 d 。一一气阀流量系数 爿。一一阀隙通道面积 h - 一阀片开启高度 盔。一阀片平均直径 口一一气体推力系数 a o 一一有效受力面积 胛一一气阀弹簧数目 k l 一一气阀弹簧刚度 o 一一气润弹簧预压缩量 r 2 6 风一一压叉大弹簧力 r 2 6 飓一一压叉大弹簧刚度 e 2 6 a p - - 一气阀前后压力差 e 2 6 尬一一阀片当量运动质量 e 2 7 厶一一压叉当量运动质量 e 2 7 p m 一一吸气阀开启初始压力 e 3 l p 0 2 一一排气阀开启初始压力 p 3 l c r 一一阀片反弹系数 e 3 2 2 3 4 4 4 4 4 6 6 6 6 髓 心 跑 眩 跑 跎 阳 陀 弛 跑 浙江大学顽士学位论文 1 1 课题背景 第一章前言 往复压缩机是一种用于压缩气体借以提高气体压力的机械，广泛应用于国 防、机械、冶金、化工等领域，按其用途可分为动力压缩机和流程压缩机。前者 主要用于风镐、风钻等气动设备，一般以小型压缩机为主；后者用于分离、合成、 反应、输送等工业流程中，通常为大型往复压缩机。 目前，往复压缩机在石化企业的使用越来越多，要求也越来越高。如在重整 装置、加氢装置中，一方面用往复式压缩机提高工艺气体的压力，以满足装置设 备反应条件的要求；另一方面由于一些新建装置的特殊要求，新增的往复式压缩 机需要满足不同工况的流量要求，或者考虑到装置开工生产一段时间后，少量生 产或改变生产条件后所引起的较大流量变化的要求。但是，由于往复压缩机属容 积式压缩机，在正常操作条件下的容积流量是基本保持不变的，这就需要对往复 式压缩机容积流量进行调节以适应新的要求。 目前常用的调节方式多种多样，各有其优缺点【】【2 】。如何合理、高效、经济 地选用流量调节方式是工程设计过程中需要认真考虑的问题。近年来由于能源问 题日益突出，对调节机构的经济性要求越来越高。在这种情况下，压开吸气阀调 节以其调节范围大、能耗小、操作简单的优点受到关注。尤其是部分行程压开吸 气阀调节，由于气量调节分散在每个行程中，要比全行程压开吸气阀调节的压力 波动小，尽管造价较高，却更受青睐。 目前国内在该方面的研究虽然取得了一定进展，但主要局限于部分量程分级 调节，全量程无级调节仍属空白。国外的贺尔碧格公司在往复压缩机全量程可调 回流气阀方面有多年的研究，并成功开发出了相应的产品1 3 1 ，由于技术垄断，价 格极高，国内仅有极少数石化企业购买了其产品。浙江大学化机所曾经成功开发 过部分量程无级调节系统【4 】，在原有研究基础上，开发具有独立知识产权的产品， 以打破国外垄断，将该项技术国产化，使其在国内推广应用，必将对我国经济建 设和工业化进程产生重要影响。 浙江大学硕士学位论文 1 2 压开吸气阀气量调节概述 压缩机的排气量调节是为了满足用气部门的耗气量变化，当耗气量小于压缩 机排气量时，就需要对压缩机进行调节，以使排气量适应耗气量的要求。因此， 对压缩机排气量的调节一般应满足以下条件【5 】： ( 1 ) 压缩机的排气量在所需调节范围内可连续改变，以使排气量随时和耗气 量相等，尽量实现所谓连续调节； ( 2 ) 调节工况经济性好，即调节时单位排气量的功耗要尽量小； ( 3 ) 调节系统机构简单，安全可靠，并且操作维修方便。 压开吸气阀无级调节技术可以很好地满足上述要求，而且其卓越的节能效 果，在众多调节方法中显得特别突出，是目前往复压缩机排气量调节的发展趋势。 压开吸气阀调节是利用一个压开装置，把吸气阀强制压开，使吸气阀全部或部分 的丧失工作能力，即使压缩机吸入气缸的气体不经压缩而重新回流到排气管，以 实现气量调节。由于在这种调节方式中气体的排出过程是在活塞开始压缩前完成 使多余的气体回流到进气口，这样就能在降低排气量的同时降低能耗。这种调节 不会使末级活塞力增大，不会使排气温度急剧升高，也不会使气缸内产生真空度， 其适用的介质和压力范围更加广泛。选择设计合理的压开吸气阀调节系统，用于 往复压缩机排气量的调节，既安全可靠又经济易行。 1 2 1 压开吸气阀调节分类 压开吸气阀调节可以分为两种方式：全行程压开吸气阀调节与部分行程压开 吸气阀调节。 1 ) 全行程压开吸气阀 调节时，在全部行程中吸气阀始终处于强制压开状态，吸进的气体全部自吸 气阀回流出去，故排气量为零，常用于压缩机空负荷启动。 压开吸气阀时，压缩机属于空运行状态，其示功图由图1 1 所示【6 1 ，因为仅 需克服压开吸气阀阻力造成的功耗，故调节的经济性比较好。但是由于属于间断 调节，造成整个气路的压力波动较大。 4 浙江大学硕士学位论文 图1 1 全行程压开吸气阀调节示意图 2 ) 部分行程压开吸气阀调节 当进气行程结束时，进气阀仍被强制顶开，在进入压缩行程后，气体从气缸 中返回进气管路，但到一定时候强制作用取消，吸气阀关闭，在剩余行程中气体 受到压缩并排出。按照吸气阀在压缩行程中压开时间的长短，可以得到连续的调 节。由于每个循环都发生回流，因此整个管网的压力不会波动太大。其示功图如 1 - 2 所示。 图1 2 部分行程压开吸气润调节示意图 浙江大学倾_ 上学位论文 1 2 2 部分行程压开吸气阀调节的控制方法 a 、被动式压开吸气阀无级调节系统 该调节方式中，卸荷力f r 是大小可调的外加力，它直作用在压叉上；而 气体力则随气缸内压力动态改变。因此，当f 产0 时，压缩机全负荷工作：当 f s f 。 f ；+ f t 。时，卸荷装置起作用，其过程分二个阶段： 起始阶段气体力较小，p f s + f c ，进气闽顶开，缸内气体回流； 活塞速度逐渐增大，f r f s + f t m a x ，进气阀关闭，开始压缩气体。 当卸荷力大于最大气体力与弹簧力之和时，即p r + f k 。进气阀则始终保持开 启，压缩机空负荷运转。由此可以看出，这种调节方法有如下特点： i ) 阀片的关闭是被动的： 2 ) 压叉力f r 的大小与阀片的关闭时轰0 有一一对应关系，改变压叉力f r 的 大小就能调节排气量； 3 ) 最大压叉力f r 不能大于r + f 。，否则阀片就始终不能关闭。 4 ) f t 。a x 发生于活塞在气缸的中问位置，气量调节范围只能在5 0 m 0 0 。 r f t 阀片 阔片弹簧 卸荷器 外力 压叉 阀片 阀片弹簧 圉1 、3 被动式佐) 与主动式( 右) 压开吸气阀调节示意图 b 、主动式压开吸气阀无级调节系统 该调节方式中，卸荷力f r 的大小是一定的大于最大气体力与弹簧力之和， 因此在任意时刻均有能力顶开吸气阀：而顶开与否有控制系统来控制。调节时， 作用f f ，进气阀被顼开，缸内气体回流：指定时刻撤去f r ，则避气阔关闭，开 始压缩气体。如果一直作用f r ，进气阀始终保持开启，压缩机进入空负荷运转 始压缩气体。如果一直作用f r ，进气阀始终保持开启，压缩机进入空负荷运转 苇凇 塑垩奎堂堡主兰焦堡塞 状态。可见此种调节的特点有： 1 ) 压叉力f r 不是一直作用在压叉上，主动撤销f r ，则阀片立即关闭。 2 ) 压叉力f r 可以取得较大，吸气阀顶开不受气体力f t 的影响。 3 ) 改变f r 的撤销时刻就改变了排气量，可以在o 1 0 0 范围内调节。 4 ) 在技术实现上同被动式调节方法相比增加了很大难度。 主动式压开吸气阀无级调节系统与被动式调节方法相比较，具有以下优点： 1 ) 不依赖于进气状态 被动式调节方法与进气状态有关，状态的不同对于调节的结果有着很大的影 响：而主动式调节方法与进气状态无关，吸气阀关闭只受f r 控制。 2 ) 气量调节范围更广 被动式调节方法由于受最大气体力的限制，调节范围无法超过5 0 ：但主 动式调节方法理论上可实现0 1 0 0 调节范围。 3 ) 阀片没有抖动 被动式调节方法中作用在阀片上的力小于最大气体力与弹簧力之和，随气体 力的不断变化，回流过程中阀片会产生震颤；主动式调节方法中顶开力较大，一 直顶住阀片，不会产生震颤，从而延长了阀片的寿命。 1 2 3 国内外主要研究动向 早在上个世纪3 0 年代，人们就已经发现了通过延迟关闭气阀可以调节压缩 机的排气量。早前受计算机技术的限制，全量程压开吸气阀无级调节只停留在理 论的阶段。近年来由于计算机技术的突飞猛进，往复压缩机全量程无级调节才得 以实现。目前，最为成熟的技术是著名气阀厂商贺尔碧格在1 9 9 7 年开发成功的 采用电磁阀和液压系统的气量无级调节技术1 3 】。该技术中最核心的是三个部分， 即电磁控制阀、液压系统及机械执行机构，其中电磁阀和液压系统是最重要的。 该系统的主要工作原理是计算机实时处理压缩机运行过程中的状态数据，并将信 号反馈至执行机构的电子模块，通过液压传动来控制气阀的开启与关闭时间，实 现压缩机排气量0 1 0 0 全量程范围无级调节。由于吸气阀的延迟关闭，可以使 多余部分气体未经压缩而重新返回到进气总管，循环周期里只压缩了需要压缩的 浙江大学硕士学位论文 气量，从而大大节省了压缩机能耗，降低了压缩机运行期的总费用。液压气量讽 节系统如下：( 图1 4 以二级压缩机为例) 。 图1 4 液压气量调节系统图 压缩机的任一工艺参数( 如排气量，排气压力，进气压力等) 可被选为控制变 量，其数值经d c s p l c 或h g 控制器转化成标准的4 2 0 m a 电流信号( 对应0 1 0 0 排气量) 传递到接口控制中枢c i u 中，c i u 比较所要求的设定值，计算出 吸气阀延迟关闭的时间及此时的对应活塞位置；同时t d c 传感器通过探测飞轮 上的特定标识，经c i u 推断出气缸中的实际活塞位置。通过对这两信号的比较， 来指令执行机构连同卸荷器的运作( 液压装置提供所需要的液压源) ，使吸气阀 的肩闭始终处于有效的控制状态，从而无需停机就能快速平衡后续工艺对排气量 的不同要求。 国内这方面的研究开展得较晚。浙江大学化工机械研究所受镇海炼化委托， 为该厂开发了压开吸气阀无级可调气阀【7 l ，其技术要点是：延迟吸气阀关闭时间， 在活塞丌始返行程运动时，部分气体在活塞的推动下，又回流到了进气管路。由 于此过程中吸气阀两边压力相差不大，排出这部分回流气体的能耗也就很小。当 气体回流量满足要求后，关闭吸气阀，缸内气体开始正常压缩。本产品在镇海炼 化二重整车间的2 d 2 0 9 2 1 1 5 1 一b x 型氢气压缩机上进行了安装调试，经长期运 行，节能效果非常显著。图1 5 为该系统的现场图。表1 1 为工业实测数据【4 j 。 浙江人学硕上学位论文 图1 5 无级调节气阀现场图 表1 1 工业实测数据表 序号排气量n m 3 h电流a功率k w比功率 排气量百分比( ) 13 2 0 02 2 52 3 0 01 3 91 0 0 2 3 0 0 02 1 52 1 9 01 3 ，79 3 7 32 8 5 01 9 82 0 1 61 4 18 9 0 4 2 7 0 01 8 81 9 1 5 1 4 1 8 4 4 5 2 5 5 0 1 8 01 8 3 f 31 3 9 7 9 7 62 4 0 01 6 81 7 1 1 1 4 0 7 5 0 72 2 5 01 6 21 6 5 01 3 67 0 o 82 1 0 01 4 81 5 0 71 3 96 55 91 9 5 01 4 01 4 2 61 3 76 1 0 1 0 1 8 5 0 1 3 21 3 4 21 3 85 7 8 1 1 1 7 5 0 1 2 5 1 2 6 8 1 3 8 5 4 7 从表中可以看出，随着排气量的下降，功率也随之下降，而作为衡量节能效 果的比功率几乎保持定值，节能效果非常明显。 浙江大学硕士学位论文 i 3 气阀运动规律的建模理论 气阀是往复压缩机的关键部件之一，其性能优劣对往复压缩机运行的可靠性 与经济有直接影响。优良的气阀，既有较长周期的使用寿命，又有相对较小的流 体阻力。气阀是依靠它的启闭元件阀片与弹簧，随气缸内气体压力变化而自 动地、周期地完成开启与关闭动作，从而实现气缸内气体的吸入、压缩、排气与 膨胀工作循环。图1 6 为气缸内气体压力变化规律与吸排气阀运动规律之间以及 与活塞运动止点之间相互关系示意图。图中上半部为气缸内压力变化曲线，下半 部为吸排气阀运动规律曲线吼 外止点内止点外止点 目 图1 6 缸内压力变化与气阀运动规律曲线 从气阀运动规律可以看出，阀片开启时，阀片移动速度较高( 衄线较陡) ，因 而撞击升程限制器的能量也较高，如此能量不能被全部吸收，则将出现阀片反弹 现象，甚至不止一次，但次比一次减弱。阀片回落发生在活塞运动到接近止点 处，此时流径气阀的气流速度减小。气流对阀片的推力随之减小，当此推力小于 弹簧力时，阀片开始脱离升程限制器，向阀座方向运动，在活塞到达止点的瞬间， 阀片恰好落到阀座上。如阀片在活塞止点之前就关闭气阀，称提前关闭，这将使 气缸的吸入容积系数降低，减小吸气能力。如阀片在活塞止点之后关闭气阀，称 为迟后关闭，在这种情况下，不仅气缸吸入容积系数降低，且倒流向气缸的气流 挟持阀片冲向阀座，加剧了阀片撞击阀座的能量，导致气阀过早损坏。 1 0 浙江大学硕士学位论文 耳前国内外许多学者对如何测定与计算气阀运动规律已做了许多工作。用特 种手段和仪器可以直接测出气阀运动规律。但实测气阀运动规律的方法只适用于 实验室研究，对现场运转的压缩机只能通过理论计算解决。在当前，随着计算技 术的发展，特别是计算机的普遍应用，理论计算气阀运动规律的研究取得了明显 的进展，理论计算与实测结果已相当吻合。 在压缩机的压缩过程中，气体的流动，特别是通过气阀流道的瞬态流动状态 和特性对于整个系统有着很重要的影响，因此国外对于气阀流道的流动特性做了 大量的理论分析。他们一般的思想是首先要建立一个简化了的流道模型，然后利 用不可压缩喷射流动理论对流体的流动状态进行研究，同时考虑流动过程中的边 界层状态和流动损失。 以上的这些研究都是基于由实验所得到的以下两个结论：第一，在阀道内的 流体正如喷射理论中的理想流体所预见的一样，几乎是无摩擦地流动；第二，在 紊流过程中能量损失是流过阀片以后由于暗流的散射而产生的。 目前，国外大量的研究工作集中在对于气阀流道流体瞬态流动特性的计算机 模拟以及气阀流道结构的优化设计。由于近年来计算机技术的迅速发展，使得计 算机模拟流道中流体的流动状态成为了可能，这不仅更加准确，而且更加直观。 阀的结构与工作原理决定了阀的动力问题有以下特点【9 】： ( 1 ) 一个完整的气阀的数学模型至少包括两个时刻相关的数学方程，一个用 来描述气体的流动过程，个用来描述气闽的运动过程； ( 2 ) 阀片在气体力的作用下运动，而阀片的运动反过来又影响气阀的气体流 动，因此阀的运动与作用在阀片上的气体力是耦合的； ( 3 ) 阀片在阀座与升程限制器之间来回运动，当碰到两者之一时，总存在能 量损失，并且这种能量损失的多少只能根据实验粗略地给予测定，所以计 算总是近似的。 对于气阀运动规律的计算，般要做以下的处理【l o ： 1 ) 对气体力的处理： 对气体力的处理包括对气体流动的处理和气体作用于阀片上的方式的选择。 目前，大部分模型将工质视为理想气体，并将通过阀孔的运动视为一维稳定的绝 热流动。一些更为简单的模型采用更为简单的假设，把气体的流动视为时间的已 浙江大学硕士学位论文 知函数，而较为复杂的模型则把气体视为实际气体。 2 ) 对边界条件的处理： 当进气腔与气缸内存在压力差时，阀片在阀座与升程限制器之间来回运动， 并与其发生碰撞。这样，阀在碰撞前后各种参数的关系就涉及到处理边界条件的 问题。在讨论阀的位移一角度曲线时，对阀的碰撞前后的各种参数关系，目前大 多数模型采用“速度反弹”来讨论碰撞前后的速度，这种方法忽略了碰撞后冲击 波的影响 。近年来有些模型开始考虑直接利用能量损失来代替速度反弹。 为了用数学来描述复杂的物理状态，一般将吸气管路和排气管路的体积假设 为无限，这样吸气压力和排气压力就为定值，于是可以把压缩机和阀片的计算与 管路系统的状态分离开来。 1 4 本文研究的主要内容 本文通过分析气缸中的气体在压缩机一个循环内发生的热力学过程，建立起 压开吸气阀调节的排气量、指示功与气阀压开时间的关系式；根据气阀流道内流 体的瞬态流动特性，利用数值方法对被压开阀片的运动规律进行计算机模拟，分 析执行机构对阀片运动规律可能产生的影响；搭建计算机测控平台，在一台3 l 1 0 8 型压缩机上进行了实验验证，为下一步的工程应用打下基础。 具体的研究可以概括为以下几个方面： ( 1 ) 对调节过程进行热力学分析，研究其调节机理与调节规律； ( 2 ) 对阀片运动规律进行数值模拟，研究调节对阀片的主要影响； ( 3 ) 将理论结果与实验结果进行比较，完善调节系统的设计。 塑坚叁兰垡! ：兰竺堡兰 第二章压开吸气阀调节的热力学分析 j 匡缩车j l 采用压外气阀渊节以后，其热力学过程较原米发生了些变化，j j ；理 t 缸g , j 。c 体一边压缩一边排到迸。气管的情况。在此过稗中，缸内，e 体质地小断变 化，是 个变质量气体监缩过程。由于在不同的阀片于l ：度下，气体经过闷隙的流 动状念不j 司，很难用统一的解析方程表示：但是在缸内，t 体的搬动j i ，阀 父船1 时洲很短丌j 以暂时忽略这一过程，这对简化我i f l f l 9 分析徽仃意义。 2 1 压开吸气阀调节的工作循环 2 1 1 调节的基本原理 钉：复u i 缩机汇常工作时，进气完毕后吸气阀关闭，活塞返行程压缔缸内ze 体 j 矧re 。压舅：i 投。c 阀气量调节则是通过个适当的装罱来延缓吸，t 阀芙闭，使缸 内请 j 分气体在活塞的推动下回流剑迸气管路，然后吸气嘲笑闭，仪埘剩余7 体 进 j ：压缩并排气。如卜图所示，随压缩机排气嚣减少，所需功耗相席减少，实现 伊e 妒j 7 能n p ，j 2 图2 i 压开吸气阔气量调节的指示围 可以看出，采用压，l ：吸气阀调节后，压缩机的 j 作循环增加了个缸l j 。i 体 j 进7e 管路逆向流动的过程，可称为回流过程。它使压缩过科平移、排7e 过秘缩 塑坚奎鲎竺主兰堡兰兰 短，如图2 1 中3 4 1 1 一2 一3 所示。 2 1 2 调节后的工作循环 对一台实际压缩机，为保证气阀及时关闭，需要具有一定刚度的阀弹簧，因 而气阀关闭时缸内压力并不等于名义吸排气压力；并且由于气阀的开启需要一定 时间，指示图上会在气阀开启时出现驼峰形状的曲线，其间气体状态变化复杂， 这一过程很难用简单的数学方程来描述。为便于分析，要对其进行一定的简化： 暂不考虑阀片的运动过程，假定气阀开启与关闭的动作在瞬间完成，吸、排气过 程结束时缸内压力分别等于名义吸、排气压力。经过上述简化，压开吸气阀调节 的指示图如图2 ，2 所示，下面对各个过程进行分析。 图2 2 压开暇气阀调节的简化指示图 ( 1 ) 膨胀过程 活塞由外止点开始向曲轴一侧运动，气缸余隙容积里的气体不断膨胀，直至 吸气阀打开。余隙气体初始压力为p z ，体积从圪膨胀到v o + a v , 这是一个多变 过程，可用方程表示为： p v ”= p 2 曙( 2 - 1 ) 易知 浙江大学硕士学位论文 矿= k f ( 等 ：一- c z z ， 吸气阀打开以后，气体在气阀前后压力差的作用下向气缸内流动。气体流经 气阀的情况，类似于经过节流装置，可以应用相关的热力学理论。当气阀完全打 开以后，气体流经气阀的阻力损失，主要决定于气阀间隙处瞬时气流速度，即瞬 n - p = 户( 2 - 3 ) p = a 一p 眨 ( 2 4 ) 阀隙当量流速与压缩机的许多参数有关，精确计算比较复杂，可以采用较为 简单的近似方法j ：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 s p c = q l l 。 ( 2 5 ) c 为瞬时活塞速度，i 为吸气阀个数，a l 。为单个气阀有效通流面积。于是 c ，= 志c 协s ， 流经阎隙的气体密度也是不断变化的，简便起见可近似取为进气状态的密度 p = 盎 ( 2 _ 7 ) p = p 。( 一互i 亍；i j i c2 c z s ， 肛采 p = p ，( 1 一l c2 ) ( 2 9 ) 浙江大学硕士学位论文 可见，崩c 2 实际是气体流经气阀的相对压力损失。 ( 3 ) 回流过程 吸气过程结束后，吸气阀在压开装置作用下仍然保持在开启状态，活塞由内 止点向气缸盖侧运动，推动缸内气体经由吸气阀向进气腔回流。对该过程进行与 吸气过程相似的分析，于是 p - - p = p q ( 2 1 0 ) 经过整理，有 ，= a ( 1 + 屏c 2 ) ( 2 1 1 ) 其中 舻毫最 r 为被压开的吸气阀个数。 ( 4 ) 压缩过程 经过一段时间的回流后，顶开装置将吸气阀释放，吸气阀立即关闭，缸内气 体开始压缩，真至排气阀打开。如图所示，假设吸气阀关闭时，缸内气体压力为 p + ，气体体积为( v 。+ v s + ) ，于是压缩过程的多变方程为 p y ”= p ( k + ) “( 2 - 1 2 、 ( 5 ) 排气过程 缸内气体压缩到一定程度，排气阀打开，气体经排气阀阀隙进入排气管路。 将排气阀看作节流装置，对排气过程与吸气过程作类似分析，有 p p 2 = 百1 。p 2 ( 2 1 3 ) 从而可以得到 p = 见l e s ；2 2 ，2 ) 协 其中2 为排气阀个数，4 2 。为单个排气阀有效通流面积。 同样令 岛= 鑫 i 一 1 6 浙江大学硕上学位论文 将2 1 4 式简记为 p = p 2 ( 1 + p 2 c 2 1 2 2 压开吸气阀调节的排气量 ( 2 1 5 ) 压缩机的排气量等于进气量与泄漏气量之差【1 1 ，而气体经吸气阀向进气管路 回流属于外泄漏，因此可用原有排气量减去回流气体量作为调节后的排气量。计 算回流气量时需要复杂的积分运算，因此这里采用另一种更为简便的计算方法， 即用吸气阀关闭后气缸内气体总量减去排气结束后气缸内剩余气体量。 2 2 1 调节后的排气量计算 由于气体在吸气阀关闭后才开始压缩，因此可将此时缸内气体容积作为实际 进气容积。这样，只需确定吸、排气阀关闭后缸内气体的状态，而不管吸、排气 过程的具体细节，将图2 2 中指示图作如下简化：保持气阀关闭时的气体状态不 变；将吸气与回流过程合在一起，在图2 3 中用等压线4 ”一i7 表示；排气过程简 化为等压线2 ”一3 。应当指出，图2 3 用来计算排气量是合适的，但由于其包围 的面积比原来小，故不能用作计算指示功。 p p 2 p + ，l 图2 , 3 计算排气量的等端点简化指示图 可见，前面所作简化，相当于气缸进气容积减小，吸气压力升高。由图2 3 浙江大学硕士学位论文 调节后的实际有效进气容积为 k=嵋一av(2-1 6 ) 不计其它泄漏，折算到名义进气状态的排气量为 g 叱丢事 f 2 1 7 ) 儿r i ( 1 - c o s o + ) 一1 - c o s 2 0 ) 陪1 8 ) ，= ，珊s i n 8 - 李s 抽。矿) ( 2 一j9 ) p + 。p l ( 1 + 届c 2 ) ( 2 2 0 ) 母儿略毒 ( 2 - 2 1 ) 扩书川 7 p 2 一_ i p 2 1 p z p = s 。再去芦 p 马l + 缉l 。 = _ ( 斋) 一 p 2 2 ， 等= 引下 浙江大学硕：学位论文 圣：f 要丫：( + 屏c ：) i 1 (z仍)p t 。+ l 岛j r 产j ”“ ( 斋) ，”净 p z 。， 由于活塞位移与速度c 均可由曲柄转角目+ 确定，所以上式可简化表示为 绋= ，( 厉，矿1 在图2 3 中有y s + 矿，所以用2 - 2 4 式计算排气量时应注意满足 如舔f ( 斋h p z s ， 2 2 2 排气量调节规律 由2 - 2 4 式，排气量除了与压缩机固定参数有关外，主要受活塞位移、速度 及系数屏的影响。由于活塞位移及速度测量困难，所以实际中应用的是曲柄角 度矿。而屏中可变的因子是m ，于是排气量的调节就归结为对被压开的趿气阔 个数r 和回流结束时刻曲柄角度矿的调节。 对参数已知的实际压缩机，可以针对一系列的r 与矿，由2 - 2 4 式求出相应 浙江大学硕士学位论文 的q v ，得到o v 随r 和矿变化的曲线，直观地看出压开吸气阀调节的排气量变 化规律。下面是针对一台3 l 一1 0 8 型空气压缩机计算所得曲线，可以明显看到排 气量变化由慢到快再到慢的过程。 6 0 0 5 0 0 o4 0 0 删 矿3 0 0 蓄z 。 1 0 0 o 弋 、 、 j 、 。 吸气阀关闭时目( 度) 图2 4 压开吸气阀调节气量变化曲线 我们也可以采用数学方法从理论上分析排气量9 v 的变化规律。由2 - 1 1 式， 回流过程中气阀相对压力损失为 盟：l c 2 p 1 而屏与m 的二次方成反比，所以调节时应尽可能增加压开的气阀个数以减 小压力损失，而通过缩短压开时间将减少的排气量补回来。 当全部吸气阀均被压开即r = n 1 时，回流过程压力损失达到最小，与吸气 过程压力损失几乎相等。工程上对吸气阀的相对压力损失是有要求的，对设计合 理的气阀其值应控制在定范围内。国外有文献1 2 1 将其确定为2 1 2 。即使 将回流压力损失范围扩大，令 0 茎屈c 2 o 1 5 对理想气体，取m = 1 2 ，拓1 4 ，则 浙江大学硕士学位论文 o s 蛀l 专卜 陋z s ， 1 ( 1 + 屏c 2 ) in 1 0 5 ( 2 - 2 7 ) 于是可将2 - 2 4 式中上述两项均近似为1 ，有 纬= 巧肛( ；一，) 调节后的排气量与压缩机最大排气量的百分比( 可简称为调节比) 近似为 垆= 等一e ( s 一) 一e ( e ：一- ) c z l 2 ， 由2 - 2 8 式两边对0 求导 堕盟j ：堡，坚i ：s f _ 2 f 2 3 0 ) d oi o s d o i o 0 5 、 显然，排气量调节的敏感程度正比于回流结束时刻的活塞速度。而活塞速度 在整个向盖行程中是先增大后减小的，从而有以下定性结论： 夺曲柄角度日在2 7 0 。时，排气量q v 对矿的变化最敏感，矿的微小误差， 就可引起q v 的较大变化。而矿在接近1 8 0 。或3 6 0 。时，即使有较大误差， 对幽的影响也不会太大。 夺对实际的调节系统，调节比伊接近5 0 对灵敏度最高，但控制精度最低； 调节比9 接近0 或1 0 0 时，灵敏度较低而控制精度较高。 2 3 压开吸气阀调节的指示功 经济性好是压开吸气阀调节的重要优点，因此有必要对该调节方式的节能效 果进行一定的分析，这就需要计算调节后的指示功。 2 3 1 指示功的计算 由图2 2 来直接计算指示功，需要根据工作循环的各个过程，进行一系列复 杂的积分，只能针对具体压缩机求其数值解。为便于理论分析，可以采用等功法 将图2 2 进行简化：进气过程取为肛等压线，排气过程取为朋等压线，n n z - t 浙江大学硕上学位论文 程取为所等压线，多变指数均取为等熵指数七。其中 只= ( 1 - 正) p l( 2 3 1 ) p d = ( 1 + 彩) p 2( 2 3 2 ) 需要注意的是等压线p 。的取法，由于图2 2 中p + 是随口+ 的不同而变化的， 故无法找到一条恒定的等压线使之与原指示图等功，但矿存在极大值，因此可 以保守一点，取该极大值为回流等压线。这样，虽然得到的指示功偏大，却更能 说明压开吸气阀调节的节能效果。 由2 1 9 及2 2 0 式，易知p + 的极大值为 菇。= p l ( 1 + f l ，r 2 印2 ) ( 2 - 3 3 ) 令 4 = 肛r 2 矿 将p ，用2 - 3 1 、2 3 2 式的形式表示，即 p ，= ( 1 + 每) a( 2 - 3 4 ) p p ( i p 2 取 p l p s 图2 5 计算指示功的等功法简化指示图 经过上述简化，得到的等功指示图如图2 5 所示，可将实际指示功看作a 等压线上下两部分面积i 、之和，即 = l i l + 2 浙江大学项十学位论文 驴南棚一1 i 上，：= i 鲁p ，c k 一矿，f i ：尝 字一t 丁 将2 2 ，2 2 1 ，2 2 2 ，2 3 1 ，2 3 2 ，2 3 4 式代入上式，并整理，可得 铲击蝴( 1 + ”声一t 铲击批卜坑) 一1 f 2 3 5 ) ( 2 - 3 6 ) 吉熊 h c 删p 方一卜卜正，p 一， c z 聊， 式中各系数意义如下： 舻等叫c 矗山 2 = 1 一e ( c i 一1 ) 。：堡垒 “ 1 十正 ，：监 “ 1 一占 2 3 2 指示功与排气量的关系 从图2 5 可以看到，面积i 对应的指示功厶l 随目+ 变化，而面积i i 对应的指示 功j 已与矿无关。可以认为，l i l 是压缩气体与输送气体所必需的，而如主要是克服 气阀的阻力消耗的，它使气体内能增加，温度升高。 由2 - 2 4 与2 - 3 6 式，有 苦* 击咖4 ) p k - i 等一- p 。s ， 浙江大学硕十学位论文 可见，l i l 与排气量q v 几乎成j 下比。又知l ，2 为定值，故总的指示功l 可近 似表示为排气量q v 的线性函数 厶= a - g + b ( 2 - 3 9 ) 其中系数a 、b 意义如下： 由此可知，压开吸气阀气量调节的节能作用非常直观，分别测得压缩机满负 荷( 妒= 1 0 0 ) 与空负荷( 妒= 0 ) 时的指示功，则任意排气量( 调节比为妒) 对 应的指示功为： 耳= 妒( e o “一霹) + 譬( 2 - 4 0 ) 由于气体在压缩、膨胀过程中与气缸存在不稳定的热交换，回流过程中又与 进气腔内的气体发生混合，所以很难准确计算气体反复流经吸气阀引起的温升。 2 3 3 误差及讨论 在以上的分析过程中，两处简化会对定量结果产生一定的影响，但不影响定 性结论：一是气阀开关特性的理想化，二是瞬时阀隙速度的近似性。 由于不考虑气阀开启与关闭的实际过程，造成吸排气过程的压力变化与实际 情况有一定误差，从而引起排气量及指示功的计算误差。对实际压缩机，可以增 加阀片运动微分方程，通过数值计算来消除这一误差。 在确定气体流经阎隙的瞬时速度时，假定活塞瞬时扫过的气缸容积等于流经 阀隙的气体容积，使得瞬时压力损失产生误差。若根据气体流经气阀前后的状态 建立伯努利方程，可以用数值方法求得较为精确的解，但无法得出公式形式的解 析解。 对工质为实际气体的压缩机，本文所得公式仍可使用，但需引入气体压缩性 系数加以修正。若为多级压缩，还需考虑中间凝析与抽( 加) 气及级间泄漏等等。 、川，=|；： 斧 ：s 瓦 r飞一 t ( + o p p 上7 西 = i | “ 口 浙江丈学硕士学位论文 第三章压开调节对气阀运动规律的影响 由于调节中压开装置的