往復式壓縮機進(jìn)氣閥優(yōu)化設計方法研究
目前壓縮機氣閥的設計大多數是按照已有設備進(jìn)行經(jīng)驗設計，定量設計研究比較少。本文結合使用CFD 軟件模擬的方法對壓縮機氣閥彈簧剛度進(jìn)行優(yōu)化設計。文中首先對壓縮機的吸氣過(guò)程進(jìn)行了三維的瞬態(tài)模擬，其中閥片運動(dòng)規律由編寫(xiě)的UDF 函數定義，最終得出氣缸內部的流體狀態(tài)以及氣閥的運動(dòng)規律，結果更加實(shí)際準確。在此基礎上對一組彈簧剛度進(jìn)行模擬，得出氣閥運動(dòng)規律與彈簧剛度的關(guān)系，在兼顧壓縮機的壽命與效率的情況下，得出最優(yōu)的彈簧剛度。這對于壓縮機氣閥的設計等具有指導性的意義。
1、前言
壓縮機具有壓力范圍廣、效率高、適用性強等特點(diǎn)，因而廣泛應用于石油石化企業(yè)。壓縮機氣閥由于工作強度大、工作環(huán)境惡劣，是壓縮機的重要且易損部件之一。目前，壓縮機氣閥的設計多是根據已有的設備進(jìn)行經(jīng)驗設計，未從根本上解決氣閥的定量分析計算和設計，因而模擬出其運動(dòng)規律并進(jìn)行優(yōu)化設計對氣閥設計具有重要意義。數值模擬成本低、周期短、效率高，本文首先采用FLUENT 軟件對壓縮機進(jìn)氣過(guò)程進(jìn)行三維瞬態(tài)模擬，考慮流體流動(dòng)狀態(tài)，得出氣閥的運動(dòng)規律，結果更加實(shí)際準確，驗證數值模擬的可行性。然后通過(guò)對一組彈簧剛度的模擬，得出彈簧剛度與閥片運動(dòng)規律的關(guān)系，對氣閥進(jìn)行優(yōu)化設計，得出合適的彈簧剛度，為壓縮機氣閥設計提供理論依據。
季玉茹等利用MATLAB 等軟件求解數學(xué)模型對氣閥運動(dòng)規律進(jìn)行研究，但這種數值求解法計算的是靜態(tài)氣體力，沒(méi)有考慮流速、氣缸內壓力脈動(dòng)等影響，得出的結果不夠準確。楊現林等也通過(guò)建立數學(xué)模型計算出彈簧力與氣閥運動(dòng)間的關(guān)系。真空技術(shù)網(wǎng)(likelearn.cn)調研后發(fā)現結合FLUENT 三維瞬態(tài)模擬得出彈簧剛度與氣閥運動(dòng)規律的關(guān)系的文獻很少。因此本文采用FLUENT 軟件進(jìn)行對壓縮機運行過(guò)程進(jìn)行三維瞬態(tài)模擬，考慮流體流動(dòng)狀態(tài)，找出彈簧剛度與氣閥運動(dòng)規律之間的關(guān)系，為氣閥優(yōu)化設計提供理論依據。
2、數值模擬
2.1、建立模型
本文研究的是DW-12 /2 型壓縮機的氣閥，其模型參數為: 活塞面積Sp = 0. 0254m2 ; 余隙容積Vc = 0. 15459dm3 ; 閥片升程h = 2mm; 閥道口的寬度b = 7. 5mm; 閥片相鄰兩環(huán)間的流道寬度a =5mm; 彈簧剛度800N/m。在GAMBIT 中根據壓縮機結構建立氣缸及氣閥模型。
模型做了如下簡(jiǎn)化:
(1) 模型不考慮泄漏;
(2) 為方便網(wǎng)格劃分，減少計算，對氣閥流道作適當簡(jiǎn)化，未倒圓角;
(3) 由于氣缸及氣閥裝置的對稱(chēng)性，為了降低計算成本，建立模型的一半即可。最終氣缸與氣閥的模型如圖1 所示。
圖1 氣缸與氣閥模型
2.2、網(wǎng)格劃分
網(wǎng)格劃分直接影響計算精度與收斂速度。模型初始劃分網(wǎng)格數為688358 個(gè)，計算機配置不足以支持計算，因而在保證精度的情況下作如下修改:
(1) 在結構比較簡(jiǎn)單的地方盡量采用六面體網(wǎng)格劃分，得到的網(wǎng)格數較少，且精度高、收斂較快;
(2) 氣閥與氣缸連接過(guò)渡處結構變化較大，采用非結構化四面體網(wǎng)格劃分;
(3) 對于重要的地方如閥片上下表面處，需要增加網(wǎng)格密度，保證計算精度; 而其他不重要的地方網(wǎng)格可以稀疏一些，以保證總體網(wǎng)格數不要太多，以免計算困難。
最終模型劃分網(wǎng)格單元數為596696 個(gè)。
2.3、動(dòng)網(wǎng)格及邊界條件設定
往復式壓縮機工作時(shí)氣閥運動(dòng)且氣缸容積不斷發(fā)生變化，需要用動(dòng)網(wǎng)格模擬，動(dòng)網(wǎng)格重劃分用Smoothing、Layering 和Remeshing 方式控制。模型采用瞬態(tài)求解器求解。
2.3.1、氣缸部分動(dòng)網(wǎng)格
活塞作往復運動(dòng)，其運動(dòng)用In-Cylinder 控制，設置轉速為300r /min，角度間隔為0. 5°，曲柄長(cháng)200mm，連桿長(cháng)400mm，即可得到不同時(shí)刻活塞位置。
2.3.2、氣閥部分動(dòng)網(wǎng)格
氣閥主要在氣體壓差力、自身重力和彈簧力的作用下運動(dòng)，其中氣閥受到的粘滯力、摩擦力等由于較小可以忽略不計。編寫(xiě)UDF 函數定義氣閥的運動(dòng)，其中閥碰撞能量損失，用反彈系數估算，反彈系數取為0. 2，彈簧剛度為800N/m。
2.3.3、邊界條件設定
邊界條件設定為:
(1) 工作介質(zhì)為理想空氣;
(2 ) 進(jìn)氣閥入口采用壓力入口，壓力為0. 2MPa，排氣閥出口采用壓力出口，壓力為0. 8MPa;
(3) 采用標準k-e 湍流模型;
(4) 不考慮與外界的熱交換。
設定完畢，即可進(jìn)行迭代計算。
2.4、結果分析
模擬得到曲柄不同轉角處閥片運動(dòng)位移，如圖2 所示。由閥片位移圖可以看出，閥片開(kāi)啟過(guò)程會(huì )與升程限制器發(fā)生碰撞，第一次撞擊的速度為2. 523922m/s，反彈后漸漸停在升程限制器上，與實(shí)際相吻合。圖2 中關(guān)閉有些延后，主要是由于彈簧剛度過(guò)小�？梢�(jiàn)，用FLUENT 軟件模擬氣閥運動(dòng)規律是可行的。
圖2 彈簧剛度為800N/m 時(shí)閥片位移
3、優(yōu)化設計
一個(gè)好的氣閥既要有長(cháng)的壽命也要有高的效率，彈簧剛度對氣閥性能有著(zhù)重要的影響。彈簧剛度太小，氣閥撞擊升程限制器的速度大，影響閥片壽命，也會(huì )導致氣閥不能及時(shí)關(guān)閉，影響排氣量; 剛度太大，氣閥不能及時(shí)開(kāi)啟，當大到氣流壓力不足以克服彈簧力將閥片“貼于”升程限制器上時(shí)，閥片便在閥座與升程限制器之間本來(lái)回震動(dòng)，使有限的氣閥通流面積不能充分利用，增加氣閥額外的能量損失，降低壓縮機效率，而且在關(guān)閉時(shí)，閥片以較大的速度沖向閥座，對閥片壽命不利。因此，設計彈簧剛度要綜合考慮振動(dòng)和啟閉及時(shí)性?xún)煞矫妗?/p>
實(shí)際中氣閥設計多是采用傳統的類(lèi)比和相似設計理論，定量分析計算和設計理論不夠完善。對氣閥彈簧優(yōu)化設計大部分采用數學(xué)模型計算方法，這種方法沒(méi)有考慮動(dòng)態(tài)氣體力等影響，不夠完善。本文結合使用CFD 軟件模擬的方法對壓縮機氣閥彈簧剛度進(jìn)行優(yōu)化設計。
在前文模擬的基礎上對一組彈簧剛度進(jìn)行模擬，得出氣閥運動(dòng)規律與彈簧剛度的關(guān)系，選定較好的彈簧剛度，以保證好的啟閉性能和較小的振動(dòng)。閥片在不同彈簧剛度下的位移圖以及氣閥關(guān)閉角度與彈簧剛度的關(guān)系如圖3 所示。
圖3 不同彈簧剛度下的位移圖以及氣閥關(guān)閉角度與彈簧剛度的關(guān)系
由此可見(jiàn)，關(guān)閉角度隨著(zhù)彈簧剛度的增大而減小，理想關(guān)閉角度是180°，當剛度為1200N/m時(shí)關(guān)閉角度比較合適。剛度小于1000N/m 時(shí)，撞擊速度隨著(zhù)剛度增加而增加; 剛度大于1000N/m時(shí)，撞擊速度隨著(zhù)剛度增加反而減小。所以剛度為1200N/m 是最優(yōu)的彈簧剛度，能同時(shí)保證壓縮機優(yōu)良的啟閉性能和較小的振動(dòng)。
4、結語(yǔ)
CFD 數值模擬具有很強的圖形可觀(guān)性，節省設計時(shí)間且成本低。文中采用FLUENT 軟件模擬計算了壓縮機的吸氣過(guò)程，得出流體運動(dòng)狀態(tài)及氣閥運動(dòng)規律，驗證了利用FLUENT 軟件對壓縮機運行狀態(tài)進(jìn)行仿真的可行性。然后，在此基礎上對一組氣閥彈簧剛度進(jìn)行模擬，得出氣閥運動(dòng)規律與彈簧剛度的關(guān)系，得出了最優(yōu)的彈簧剛度，能夠兼顧彈簧壽命與壓縮機效率兩方面，為壓縮機及氣閥的設計改造提供了理論依據。
