超高壓隔膜壓縮機(jī)隨動閥工作特性研究

葛云昊，李 云，鐘 涌，劉 杰，李松元，孔榮宗

(1.西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049；2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速所，四川 綿陽 621000；3.豐電金凱威(蘇州)壓縮機(jī)有限公司，江蘇 蘇州 215514)

1 引言

近年來，中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速[1]。隔膜壓縮機(jī)具備高壓比、密封性好的特點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于氫氣增壓[2]。在超高壓隔膜壓縮機(jī)工作過程中，液壓腔內(nèi)的高壓液壓油容易泄漏，且由于壓縮熱的影響，需要及時通過補(bǔ)油、排油進(jìn)行更換和補(bǔ)充。隔膜壓縮機(jī)常設(shè)置溢流閥，可在壓縮機(jī)排氣階段動作，將液壓腔內(nèi)多余活塞行程容積的液壓油排出，保證膜片不承受過高的壓力，造成破壞[3]。但傳統(tǒng)溢流閥的開啟壓力在開機(jī)前一旦調(diào)整好，運(yùn)行中不能隨意改變，還會使壓縮機(jī)整機(jī)運(yùn)行功耗增加[4]。

本文所研究的250MPa超高壓隔膜壓縮機(jī)采用了新型溢流閥，其采用膜片作為控制液壓油排放的啟閉元件，啟閉控制由膜片兩側(cè)氣壓與油壓決定，可以實(shí)現(xiàn)排油壓力隨排氣壓力自動變化，也被稱為隨動閥[5]。目前用于250 MPa隔膜壓縮機(jī)的隨動閥由于工作壓力達(dá)到280 MPa，由于實(shí)驗(yàn)困難且液壓油具有可壓縮性，難以通過理論獲得閥內(nèi)液壓油的流動特性，故多采用工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，缺乏普適性。

本文考慮液壓油可壓縮，基于計(jì)算流體力學(xué)研究超高壓隨動閥中液壓油的流動過程，獲得閥內(nèi)的流場與壓力場分布，獲得隨動閥的流量特性，為開發(fā)高可靠性超高壓隨動閥提供理論基礎(chǔ)。

2 超高壓隨動閥結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1為超高壓隨動閥的結(jié)構(gòu)。膜片一側(cè)接排氣管道，另一側(cè)接液壓腔的排油接管。當(dāng)隔膜壓縮機(jī)進(jìn)入排氣階段，活塞向上止點(diǎn)運(yùn)動，推動液壓腔內(nèi)的油壓大于排氣壓力，所形成的壓差使膜片變形并排油。當(dāng)排氣階段結(jié)束時，液壓腔內(nèi)的油壓低于氣壓，隨動閥膜片閉合。

圖1 超高壓隨動閥結(jié)構(gòu)示意圖

3 超高壓隨動閥流場數(shù)值模擬

由于隨動閥內(nèi)的流動問題復(fù)雜，理論求解難以獲得流場內(nèi)部壓力與速度的分布規(guī)律。因此采用計(jì)算流體力學(xué)方法進(jìn)行流場模擬。模擬計(jì)算流程如圖2。

圖2 超高壓隨動閥內(nèi)流場數(shù)值模擬流程

3.1 隨動閥數(shù)學(xué)建模的基本假設(shè)

(1)壓縮機(jī)經(jīng)過一段時間的穩(wěn)定運(yùn)行，液壓腔內(nèi)的液壓油溫度恒定；(2)隨動閥排油階段內(nèi)，排氣管道內(nèi)的排氣壓力為定值；(3)液壓油為牛頓流體且粘度為常數(shù)，不考慮液壓油粘粘性引起的流動換熱；(4)隨動閥的膜片邊緣通過密封環(huán)與閥座經(jīng)螺栓壓緊，將膜片看作周邊固支的薄平板；(5)膜片開啟高度0.5 mm，相對較小因此忽略膜片打開的時間，認(rèn)為流過超高壓隨動閥的流動屬于穩(wěn)態(tài)流動。

3.2 隨動閥流場分析網(wǎng)格劃分

圖3抽取了液壓油流動過程中的部分流道作為流場模擬的有效流體域，并采用六面體網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖3中①②③分別展示了環(huán)狀油槽與上方連通域、出口流道以及入口流道的網(wǎng)格放大圖。網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證以排油壓力作為入口邊界條件，出口的排油流量作為網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證的依據(jù)，結(jié)果如表1所示。取25萬網(wǎng)格數(shù)，與其它測試網(wǎng)格的出口流量相對誤差均小于1%。最終采用具有代表性的Mesh_4網(wǎng)格作為仿真的計(jì)算網(wǎng)格。

圖3 超高壓隨動閥模型及網(wǎng)格劃分

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

3.3 基本控制方程

因?yàn)椴豢紤]液壓油在隨動閥流道內(nèi)的流動換熱，只需考慮流動的質(zhì)量守恒方程與動量守恒方程。應(yīng)用于超高壓隨動閥的控制方程形式為，

(1)質(zhì)量守恒方程：

(1)

式中ρ——液壓油密度

x、y、z——分別為三方向坐標(biāo)，如圖3

u、v、w——為三方向上的速度分量

(2)動量守恒方程：

(2)

式中μ——液壓油動力粘度

g——重力加速度

3.4 邊界條件與流體設(shè)置

超高壓隨動閥的流動進(jìn)口油壓設(shè)置280 MPa。隨動閥下游的排油管道與曲軸箱相連，管道內(nèi)壓力設(shè)置為4 MPa。

超高壓下，液壓油需要考慮可壓縮性，設(shè)定液壓油工作溫度為45 ℃，液壓油彈性模量取2.14 GPa，比熱容取2014.78 J/(kg·K)，動力粘度取0.052 kg/(m·s)。

鑒于液壓油粘性較高，其與壁面之間的相互作用遠(yuǎn)大于液壓油內(nèi)聚的相互作用，故設(shè)置壁面邊界條件為無滑移邊界條件。

對超高壓隨動閥模型采用二階迎風(fēng)格式的離散方程，并通過有限體積法求解，其計(jì)算效率高，對計(jì)算網(wǎng)格的細(xì)密程度依賴性小，迭代方程更易于趨向收斂。由于超高壓隨動閥內(nèi)的液壓油流動為湍流流動，故本文采用k-ε湍流模型，計(jì)算使用SIMPLE算法。

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 超高壓隨動閥液壓油壓力與速度與變化

排油壓力280M Pa時，超高壓隨動閥的壓力分布如圖4所示。在排油入口至環(huán)槽的①段區(qū)域，隨動閥內(nèi)油壓在280 MPa至250 MPa。液壓油流經(jīng)入口流道，進(jìn)入環(huán)槽區(qū)域，截面流通面積增大，使環(huán)槽內(nèi)液壓油壓力相對平均，但靠近入口流道區(qū)域，即②段流域右側(cè)的壓力更高。由于在③段處，液壓油在閥體孔道內(nèi)有一段高速流域，在此處壓力降較高，從220 MPa降至100 MPa。在③段與④段之間的折彎處，壓力從120 MPa變化到40 MPa。最終，到達(dá)隨動閥閥體排油出口處的液壓油壓力不足 20 MPa。

圖4 超高壓隨動閥流場壓力分布規(guī)律

超高壓隨動閥的相應(yīng)的速度分布如圖5所示。在液壓油流動過程中，由于流體粘性的影響，近壁面處液壓油的流速較低，而在流道的中心區(qū)域(流動的主流區(qū)域)處流速相對較高。在排油入口至環(huán)槽的①段區(qū)域，受液壓腔內(nèi)280MPa高壓力的推動，液壓油流速能夠達(dá)到120 m/s。在②段處，膜片打開高度0.5 mm的流動區(qū)域內(nèi)，液壓油平均流速在70～80 m/s。相比由環(huán)槽的其它區(qū)域而來的超高壓液壓油，從排油入口側(cè)而來的液壓油明顯有著更高的流速。液壓油流經(jīng)隨動閥的③段區(qū)域，閥體內(nèi)的孔道窄至直徑3 mm，閥隙流通面積減小，油的流速達(dá)到最高。經(jīng)過一個折彎，④處出口孔道的液壓油平均流速有所降低。

圖5 超高壓隨動閥流場速度分布

圖6 超高壓隨動閥壓力-流量特性曲線

通過分析可知，膜片開啟時，高壓液壓油在閥隙處壓降不僅高，而且作用于膜片的壓力并不均勻。另一方面，在閥隙處液壓油的高流速對膜片會有較大的沖擊力，容易導(dǎo)致膜片在靠近排油入口這一端的失效。

4.2 超高壓隨動閥壓力-流量變化

超高壓隨動閥的流量特性受多種復(fù)雜因素相互作用的影響。通過分析其工作原理，排油壓力、液壓油流體特性和閥門開度是影響閥門流量特性最主要的因素。

曲線①為隨動閥全開時的壓力—流量特性曲線?？梢钥闯?，隨動閥的出口流量隨排油壓力增大而增大。且該曲線具備極強(qiáng)的非線性，排油壓力越高，非線性越強(qiáng)。壓力越低，隨動閥排出的流量較少。壓力低于100 MPa時，隨著壓力的增加，隨動閥流出的流量增加緩慢，而高于100 MPa時，隨著壓力的增加，排出流量增加較多。

曲線②為不考慮可壓縮性得到的壓力—流量曲線。由于可壓縮性的影響，液壓油在280 MPa時，其體積減少約10%，會導(dǎo)致流過隨動閥的流量減少。因此考慮壓縮性后，超高壓隨動閥的液壓油排放流量將降低。

4.3 超高壓隨動閥流量特性

超高壓隨動閥的流量特性是指流體介質(zhì)液壓油流過閥門的相對流量與膜片開啟高度之間的關(guān)系。選取排油壓力在54 MPa、108 MPa與280 MPa，將不同開啟高度下的數(shù)值模擬所獲得的流量值作為計(jì)算相對流量的原始數(shù)據(jù)。相對流量與膜片開啟高度之間的關(guān)系為

(3)

式中Q——某開度下的流量

Qmax——閥全開的最大流量

L——某一開度下閥片行程

Lmax——閥全開膜片的最大行程

圖7中曲線②為超高壓隨動閥的流量特性，其它曲線為不同控制閥門的流量特性[6]?？梢钥闯龀邏弘S動閥的流量特性曲線介于典型快開流量特性與直線流量特性之間。因此，其與工業(yè)上所應(yīng)用的，流量特性為快開型的平板型直動控制閥有相似之處[7]，即它們閥片(膜片)的有效位移都很小，具備有快速啟閉以及隔斷流體流動的作用。

圖7 超高壓隨動閥與其他控制閥門流量特性對比

快開流量特性的超高壓隨動閥也更加適合超高壓隔膜壓縮機(jī)。因?yàn)樵谂庞蛪毫εc氣體壓力之差大于打開膜片需要的壓差時，改變膜片開啟高度會引起很大的流量變化。而當(dāng)排油壓力與氣體壓力之差小于膜片打開所需壓差時，膜片能夠迅速關(guān)閉，切斷液壓油的排出。

5 結(jié)論

采用計(jì)算流體力學(xué)方法，獲得了超高壓隨動閥的流動特性與流量特性。通過對超高壓隨動閥內(nèi)穩(wěn)態(tài)流場展開研究，獲得了隨動閥內(nèi)部流場的壓力、速度分布規(guī)律，結(jié)論如下：

(1)隨動閥內(nèi)主要壓降發(fā)生在閥隙流道處，膜片承受的壓力并不均勻。

(2)超高壓隨動閥全開時的壓力-流量特性曲線呈非線性，且排油壓力升高，流量增加越多?？紤]液壓油的可壓縮性，流過隨動閥的出口流量會比不考慮可壓縮性減少。

(3)超高壓隨動閥的相對流量與相對開度之間呈快開流量特性關(guān)系，這表明超高壓隨動閥具備有快速啟閉以及隔斷流體流動的作用。