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摘 要：论说了往复压缩机吸气阀节流作用对吸气量的影响机理，得出吸气温度悉数的绵薄筹划步地，并使用SolidWorks中Flow Simulation模块仿真模拟了气阀节流作用流程，考据了温度悉数绵薄筹划式的准确性。通过分析发现：在压缩机特征参数确定的情况下，温度悉数与压缩机气阀功耗接洽。该发现为压缩机野心时气量的修正提供了依据，并建议了进步压缩机气量和保证压缩机长周期在较高的吸气终局限制内职责的圭表。著述同期指出，在工质含杂质较多的场合，应优先使用抗打扰性能邃密的气阀。

关节词：往复压缩机 气阀节流 温度悉数 吸气阀功耗 吸气量 CFD筹划

往复压缩机职责时，气体的压缩是在与外界不连络洽的职责容积中完成的，为使低压气体和高压气体分别有规矩性地参预和排出职责容积，压缩机中必须设有故意的气体抵制器件——压缩机气阀。气阀是往复压缩机的垂死构成部件之一，自往复压缩机出身以来，它就一直是被考虑的对象。最开动使用的是菌状阀，但跟着容积流量的加多，压缩机中慢慢引入网状阀和环状阀等。气阀功耗约占总功的5%～20%，可对压缩机的经济性产生极大影响【1】。连年来，通过对气阀的转换，贬抑了气阀能耗，延伸了使用寿命，大大进步了压缩机的可靠性和经济性。

Gyaunke等【2】使用2个无量纲参数，相比不同气体在不同气阀直径下产生的能量赔本，发现改变气阀有用进气面积不错贬抑气阀能量损成仇压力降。唐翠华等【3】通过考虑发现：气阀压力悉数受到全关弹簧力的制约，险些与阀片的升程无关，全关弹簧力越小，压力悉数越大。潘树林和莫乾赐等【4】通过考虑发现：气阀有用通流面积过小随和阀弹簧力严重不匹配时，压缩机的容积流量会急剧减小。潘树林和广柯平【5】建议在压相比大时，遴选吸气阀总有用面积大于排气阀总有用面积的圭表不错减鄙吝阀总功耗。孙引朝等【6】设置了气瓶充气流程的热力学模子，对充气流程气瓶内的气体参数进行数值模拟，并与内容实验终局进行对比，考据了该模子在一定限制内可靠。Bhakta等【7】设置了简化的气阀能源学方程，通过传递函数将压力脉动安装的测量数据退换为内容的阀片率领特质，不错裁汰气阀的野心周期。谭琴等【8】通过对压缩机环状阀流量悉数影响身分进行分析，追想出了环状阀流量悉数随升程和通谈宽度比、阀座通谈宽度、密封边宽度的变化规矩。

在出产中，往复压缩机的气量频频偏低【9】，而排气温度频频高于野心值【10】，其主要原因有：气阀在野心、选型上不对理，在运行流程中出现故障。国表里学者对气阀野心和功耗进行深刻考虑后，建议了好多步地和圭表改进气阀、贬抑气阀功耗，但并未明确气阀功耗对气量的影响。事实上，由气阀节流作用引起的功耗会使压缩机气缸内吸气终了温度高于野心值，排气量低于野心值。

本文详备论说了气阀节流对气量的影响机理，分析出吸气流程中采纳的热量与气阀功耗接洽，为压缩机野心时温度悉数的筹划提供依据。在气阀功耗绵薄筹划的基础上，设置温度悉数随和阀功耗的抒发式，并使用CFD模拟的神态考据了温度悉数绵薄筹划式的准确性。

1 气阀节流对气量的影响机理

气阀对内容进气量产生的影响不错用4个悉数形色，分别是裸露悉数、压力悉数、容积悉数和温度悉数。压缩机职责中，吸气时排气阀裸露、压缩和排气时吸气阀裸露齐会使压缩机内容气量变小，因此气阀气密性越好，裸露悉数越大。压缩机气阀往日为自动阀，由阀片两侧的压差和弹簧力抵制气阀的开启和闭合，克服弹簧力开启阀片所需的压差越小，压力悉数越大。压缩机排气时，统统气阀阀座流谈酿成的腔室会与气缸连通，从而增大气缸的相对余隙容积，使容积悉数减小。温度悉数的大小取决于进气流程中传给气体的热量，热量主要开始有：吸气流程中，气体与高温璧面、活塞等的热量传递；进气时，气体因气阀节流作用产生流动阻力赔本，因流动阻力所花消的功变成热量，对气缸内气体有加热作用【11】，进而负气体温度高潮、体积增大，吸气量减小。

常见的气阀由阀座、弹簧、阀片、升程限定器和缓冲片等构成。阀门闭合状况下，阀片和阀座通过密封面战争。看成气体抵制元件，气体在气阀内流动的流程中会因流谈拐弯、通谈面积发生变化而产生节流作用。气阀节流作用的大小随和阀的类型、结构步地、气阀流谈面积等身分接洽。气绽放过直流阀时比回流阀折转小，因此直流阀的通流作用强，节流作用弱；气阀安装面积换取期，环状阀和网状阀比菌状阀的有用通流面积大；另外弹簧的刚度和预压缩量及阀片密封边面积齐会对气阀节流作用产生影响。

压缩机进气通谈中，流谈的喉部在吸气阀有用通流截面积最小处，气体流经该喉部时，产生剧烈的节流作用，使得流动阻力赔本增大、气体压力减小，而压力赔本所耗散的功变成热量被气体采纳，因此气缸内气体吸气终了温度高于吸气温度。凭据气体状况方程可得出：在气缸内气体压力和容积一定时，气体吸气终了温度升高，内容气量减小。对压缩机吸气全流程列出能量守恒方程有：

Qa=m(ua-us)

(1)

式中： Qa——吸气流程气体采纳的热量，J;

m——吸气终了气体质地，kg;

ua——气缸内吸气终了时气体的比内能，

J/kg;

us——吸入气体的比内能，J/kg。

2 气阀功耗的绵薄筹划

在正常工况下，往复压缩机吸气流程相比复杂，尤其是阀片可能出现往复轰动，气体密度会跟着压力而发生变化，导致筹划极为复杂。为了便于筹划，需要作念合理的假定，并在简化后，设置相应的数学模子。假定如下：a)压缩机内气体视为理思气体；b)吸气流程与外界绝热、无裸露；c)职责流程中不斟酌阀片率领情况，视为竣工开启或竣工关闭；d)当阀隙马赫数小于0.3时，气体密度变化小于4.4%，气体密度可视为定值。在上述假定的前提下，不错以为在极短的时辰内，流过吸气阀的气体体积与压缩机中气缸内增大的容积十分。则平均相对压力赔本筹划公式如下：

(2)

式中：δ——平均相对压力赔本；

k——绝热指数；

M——阀隙马赫数；

x1、x2——气阀开启、关闭时对应的活塞位移，m；

νp——活塞瞬时速率，m/s；

νm——活塞平均速率，m/s。

活塞瞬时速率筹划公式为：

(3)

式中： r——曲柄半径，m；

ω——曲柄旋转角速率，rad/s；

θ——曲柄转角，rad；

λ——连杆比。

为表述简明，引入函数g：

(4)

式(4)中，忽略λ2及更高次的项，积分得：

(5)

式中： θ1、θ2——气阀开启角、关闭角(其入网算式(6)中θ2为π)，rad。

不难分析，进气流程压力赔本所花消的功即为吸气阀功耗，结合压缩机示功图【1】也不费事出换取的论断，则吸气阀产生的功耗为：

Ws=psλvVhδs

(6)

式中： Ws——吸气阀功耗，J;

ps——吸气压力，Pa；

λv——容积悉数；

Vh——气缸行程容积，m3；

δs——吸气阀平均相对压力赔本。

3 往复压缩机温度悉数筹划

在得出吸气阀功耗绵薄算法后，不错络续推导温度悉数随和阀功耗之间的关联。由于吸气时辰极短，因此吸气流程气体与缸壁和活塞等热交换不错忽略，吸气流程气体采纳的热量气阀只斟酌气阀节流作用所花消的功，也即吸气阀所花消的功，因此有：

Qa=Ws

(7)

吸气终了时，气缸内的气体状况方程为：

paVh=mRgTa

(8)

式中： pa——气缸内吸气终了压力,MPa；

Rg——气体常数;

Ta——气缸内吸气终了温度，℃。

将压力悉数代入上式，并结合式(1)、式(6)～ 式(8)，不错取得温度悉数的抒发式：

(9)

式中： λT——温度悉数；

Ts——吸气温度，℃。

将式(7)代入到式(9)中，可取得温度悉数随和阀功耗的抒发式：

(10)

当忽略吸气流程的传热时，通过式(10)可知：往复压缩机职责时，吸气压力随和缸的行程容积为定值，温度悉数与气阀功耗接洽，况且温度悉数随气阀功耗的增大而减小。通过式(9)可知，影响气阀功耗的诸多身分有：气阀结构、气体性质、连杆比、相对余隙容积、压比和弹簧力等【12】。

4 气阀节流作用的模拟考据

前文论说了气阀节流作用会使吸气终了温度高潮，并取得温度悉数的绵薄筹划，但使用了部分假定和简化，需要对上述论断进行查验。考据的步地有实验和筹划机模拟仿真2种，由于实验需要场面和诸多实验开荒，远不如筹划机模拟仿真绵薄，因此本文华取模拟仿确实神态。

筹划流膂力学是经典流膂力学和数值步地交叉酿成的新式学科，简称CFD。诚然龙套旨趣的不同酿成了CFD不同的数值解法，但齐是在时辰上定量地形色空间流场的数值解，当今有限体积法应用最为往日。简而言之，CFD便是行使当代筹划机时刻模拟流体的内容流动，非凡于在筹划机上作念“假造”实验。跟着筹划机时刻的迅猛发展，CFD也能终了充足的精度和准确性供工业应用。

环状阀有较好的妥当性和可靠性，阀片步地粗拙且互相沉寂、制造和加工资本低、强度和抗疲惫性好，因此我国的往复式压缩机使用环状阀较多。本文以6M50-305/320氮氢气压缩机一级气阀为例，考据上述温度悉数的准确性。该压缩机主要参数为：转速980 r/min，行程480 mm,活塞杆直径φ120 mm,连杆长度1 200 mm,进气压力0.12 MPa，进气温度25 ℃，排气压力0.3115 MPa，相对余隙0.08。进气阀具体参数见表1。

表1 6M50-305/320 氮氢气压缩机一级进气阀参数

为查验气体流经气阀前后因节流作用导致温度高潮情况，不错对气阀遴选故意模子进行仿真模拟。气阀流谈数目、导向坎坷和结合筋板所占通谈面积比例较小，对气阀节流作用影响不大，因此气阀实体模子不错作念符合的简化。简化后的模子不错使仿真模拟的网格区别容易且数目少，可大大加速模拟筹划速率以及提高精度。精简的内容包括：流谈数目树立为2，结合筋减少到4个，去掉导向凸台；遴选静态模拟，故不树立阀片。

凭据上文所述，使用SolidWorks软件设置实体三维模子， 气阀齐备的模子如图1所示， 1/4气阀模子如图2所示。SolidWorks中Flow Simulation 模块可用于CFD筹划进行流体率领仿真，具有操作绵薄、筹划流程占用系统资源少、运算速率快且准确的上风。

图1 气阀齐备模子

图2 1/4气阀模子

为了舍弃气阀入口和出口速率的影响，在设置气阀模子后，分别在气阀进、出口处加入较大容积的腔室。CFD求解流程如下：

1) 流体介质采用空气；

2) 该模子具有对称性，因此采用1/4模子地方的空间作念为筹划流体区域；

3) 网格区别采用最小舛误尺寸为0.01 m,网格精度品级为4，再对局部进行细化，最终区别流体网格17 348个，部分网格19 148个，如图3所示；

4) 畛域条目树立为入口压力0.12 MPa,入口温度为298 K，凭据式(2)筹划出相对压力赔本为0.057，斟酌管谈内流动的赔本，凭据申饬取相对压力赔本为0.1，此时出口压力为0.108 MPa；

5) 树立不休观点为全局压力、温度、合速率和y标的分速率。

准备就绪后，通过SolidWorks中Flow Simulation进行模拟筹划。在气阀出口处气体静压为107 880 Pa，最低温度为298.7 K，最高温度为312.3 K，平均温度为311.1 K。出口温度散播如图4 所示。

图3 气阀筹划模子

图4 气阀出口温度散播

对CFD模拟终局进行处理，不错取得气阀节流前后产生的温度悉数为95.8%。对比温度悉数的筹划式(9)，取相对压力赔本为0.1，压力悉数为0.9，容积悉数为1，气体绝热指数为1.4，筹划取得温度悉数为95.6%。

5 论断

1) 气阀节流作用会导致气体温度升高。表面筹划得出的绵薄式和CFD模拟得出的终局基本一致，二者产生眇小诀别的原因为CFD模拟时气阀出口处有动压的存在。

2) 设置吸气温度悉数的绵薄筹划式，为往复压缩机野心时气量的修正提供依据，在斟酌气阀节流作用后，负气量数据更准确。

3) 气阀功耗影响吸气终了温度，进而影响压缩机吸气量，因此贬抑气阀功耗不仅能进步压缩机终局，还能使压缩机产量加多。气阀野心时，应登第合适的气阀参数，如合理增大有用通流面积、阀隙内气流折转幅度尽量变缓等，以消弱气体在气阀中流动流程的节流作用，进步吸气终局。

4) 压缩机应优先选用抗堵塞性能强的气阀，尤其工艺介质含杂质较多时。若气阀里面流谈被杂物遮盖，就会出现堵塞工况，导致气阀功耗增大，温度悉数也会随之速即减小，此时压缩机的功耗增多，气量反而减小，终局急剧着落。使用抗堵塞压缩机气阀能减轻气绽放谈被堵塞进度，因此不错保险压缩机长周期高终局地运行【13】。

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