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    往復(fù)式壓縮機自動氣閥動態(tài)建模與分析

    2018-05-22 11:13:22鄭靈杰
    中國科技縱橫 2018年7期
    關(guān)鍵詞:氣閥仿真預(yù)測

    鄭靈杰

    摘 要:往復(fù)壓縮機氣閥的設(shè)計對其可靠性影響很大,為了使氣閥設(shè)計達到穩(wěn)定的密封特性,有必要在設(shè)計時考慮其所有的影響因素。本文通過建立并簡化通用氣閥的數(shù)學(xué)模型,對影響壓縮機氣閥的工作性能的因素進行動態(tài)仿真。仿真結(jié)果表明該模型簡單且易于計算,可對氣閥的基本參數(shù)進行預(yù)測和描述,可用于檢驗影響氣閥性能的關(guān)鍵因素。

    關(guān)鍵詞:往復(fù)壓縮機;氣閥;動態(tài)建模;仿真;預(yù)測

    中圖分類號:TH16;TB652 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-2064(2018)07-0028-02

    1 引言

    往復(fù)式壓縮機是一種廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)和運輸行業(yè)的設(shè)備,并發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。特別是對于一些需要獲得壓縮氣體或產(chǎn)生低密度氣體的應(yīng)用,壓縮機的高可靠性使其成為整個機組安全性和實用性的關(guān)鍵。最近進行的一項工業(yè)調(diào)查明確指出[1],壓縮機氣閥是因壓縮機故障而發(fā)生生產(chǎn)流程中斷的主要原因,因此而產(chǎn)生的停機成本對企業(yè)的生產(chǎn)造成嚴重影響。此外,氣閥故障最常見的原因是工作過程中受高沖擊速度,磨損或應(yīng)用環(huán)境。為此,在氣閥設(shè)計時適當(dāng)考慮這些影響因素是非常必要的。

    目前,往復(fù)式壓縮機主要配備自動氣閥,由氣閥前后的壓差驅(qū)動。因此,為了預(yù)測氣閥的工作性能,需要研究其在整個壓縮機循環(huán)過程中的狀況。理論上對氣閥工作性能的分析可采用兩種方法,一種是基于CFD軟件進行,另一種是利用簡化分析模型[2]。利用CFD可以提供非常精確的分析結(jié)果,但同時由于閥體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及工作環(huán)境的影響,對氣閥工作過程的分析需要進行復(fù)雜的網(wǎng)格創(chuàng)建和大量的模型運算。而在氣閥的早期開發(fā)階段,使用簡化模型即可進行快速,準確地對氣閥行為進行預(yù)測。本文建立往復(fù)壓縮機氣閥的簡化模型,描述了影響氣閥工作的諸多影響因素,并對氣閥的工作行為進行了分析。

    2 壓縮機和氣閥物理模型

    圖1所示為一個單缸及單作用壓縮機模型,用于對氣閥工作特性進行預(yù)測。該模型包括曲軸連桿機構(gòu)的運動學(xué)模型,壓縮機缸體,氣閥經(jīng)管道系統(tǒng)與吸氣和排氣增壓室相連。

    不失其一般性,該模型包括了普通壓縮機完整的主要構(gòu)成部分,可完整的應(yīng)用于對氣閥動態(tài)特性和壓縮機性能的分析。壓縮機氣閥的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示,由可移動的密封元件和閥座組成,密封元件兩側(cè)產(chǎn)生的力壓差可驅(qū)動閥門開關(guān)動作。在閥板上安裝驅(qū)動的執(zhí)行元件——質(zhì)量彈簧系統(tǒng)。

    3 氣閥數(shù)學(xué)模型的建立與仿真

    3.1 氣閥數(shù)學(xué)模型的建立

    在建立氣閥的數(shù)學(xué)模型之前,需要對氣閥的動態(tài)工作條件進行一定的簡化,以避免在數(shù)值計算時時間變量的數(shù)值相關(guān)性。如圖3所示,假設(shè)如下:

    (1)壓縮機的工作介質(zhì)為理想氣體;(2)執(zhí)行元件為只具有一個自由度的質(zhì)量彈簧系統(tǒng);(3)單氣缸工作,通過氣閥的流量穩(wěn)定;

    由于通過氣閥的流動介質(zhì)的復(fù)雜性,不能直接分析介質(zhì)流量。因此,通過氣閥的介質(zhì)流量在計算時經(jīng)常被當(dāng)作不可壓縮流量通過管道,其模型如下所示:

    3.2 各參數(shù)的計算

    根據(jù)牛頓第二定律,通常氣閥的動力學(xué)模型可表達為:

    其中表示運動介質(zhì)質(zhì)量,x表示閥板距離閥座的距離,表示氣體力,表示介質(zhì)摩擦力,表示彈簧彈力。

    方程2中的質(zhì)量應(yīng)包括閥板質(zhì)量、彈簧的質(zhì)量和閥板偏轉(zhuǎn)時周圍的介質(zhì)質(zhì)量。然而,由于工作介質(zhì)的密度較低,且遠小于彈簧及閥板本身的質(zhì)量,因此可將其忽略,系統(tǒng)質(zhì)量可以表達為:

    4 分析

    將上述公式帶入方程1和2,設(shè)壓縮機氣缸直徑為150mm,總行程為100mm,壓縮介質(zhì)的進出口壓力分別為1pa和3pa,吸氣閥與排氣閥的閥板直徑分別為36mm和38mm,壓縮機轉(zhuǎn)速為340轉(zhuǎn)/分,用matlab進行仿真可得到曲柄作圓周運動過程中閥板運動與壓力,如圖4所示。

    由于模型進行了簡化,相對于實際壓縮機氣閥動態(tài)性能,該結(jié)果有一定的誤差,但氣閥運動與壓力之間的對應(yīng)關(guān)系與真實情況是對應(yīng)的。

    5 結(jié)語

    本文提出了一種用于往復(fù)式壓縮機及其氣閥的簡化數(shù)學(xué)模型,相對于CFD法該模型雖在模型的完整性有一定的局限性,但由于建模簡單,易于計算,且可對氣閥的基本參數(shù)進行預(yù)測和描述,在壓縮機及氣閥的功能設(shè)計中可用于檢驗影響氣閥性能的關(guān)鍵因素,對壓縮機關(guān)鍵部件的設(shè)計與仿真具有重要參考價值。

    參考文獻

    [1]Foreman,S.Compressor valves and unloaders for reciprocating compressors–an OEMs perspective.Dresser-Rand Literature(2002).

    [2]柯常忠,聶淸風(fēng),倪小平,等.活塞壓縮機氣閥運動規(guī)律的研究與數(shù)學(xué)建模[J].壓縮機技術(shù),2003,179(3):8-10.

    [3]Michal,Volf, and Gápár Roman. Modeling reciprocating compressor valve dynamics. In AIP Conference Proceedings, vol. 1889, no. 1, p. 020049. AIP Publishing,2017.

    [4]Habing,Reinder André.Flow and plate motion in compressor valves.University of Twente,2005.

    [5]Touber,Simon.A contribution to the improvement of compressor valve design.1976.

    [6]張増營.往復(fù)式壓縮化環(huán)狀閥工作過程沖擊應(yīng)力分析[D].南寧:廣西大學(xué),2004.

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