气阀弹簧对压缩机性能的影响

摘要：通过对往复压缩机气阀工作过程的分析，从理论上探讨气阀弹簧力和阀片升程对压力系数和气缸功耗的影响。计算表明，弹簧力在吸气压力较低时对压力系数影响较大，当压力较高时影响则很小。

关键词：气阀、弹簧力、压力系数、功耗

中图分类号：TG435文献标识码： A

引言

在许多化工流程中,对压缩机排气量的要求都很严格。特别是在化肥行业，用户为了提高产量，会千方百计地在原有设备生产能力的基础上提高产量。对于往复式压缩机来说,总希望能在现有的水平上进一步提高排气量。因此,一些企业对往复机的气阀进行了改造。在一些企业的有关人员中认为气阀的阀片升程的大小会影响输气量这一认识。本文就这一问题进行讨论,从理论上说明影响输气量的是气阀的弹簧力而不是阀片升程。

一、弹簧力对对气缸容积效率的影响

在往复活塞压缩机的设计中,容积效率是重要的技术指标之一。虽然容积效率对机组功耗没有什么影响,甚至将主要影响容积效率的余隙容积称为“无害容积”。但是,在排气量以及其它参数都相同的情况下,如果容积效率偏低,则所需缸径必然偏大,这会明显增加气体力及活塞的质量，同时也会增加制造的成本和难度。因此,尽管容积效率的大小对功耗无影响,但是,它对基础件的承载能力的影响是不容忽视的。因此,“无害”仅对功耗而言,是有偏面性的。

气缸容积效率表达式如下(纯干气)

η=Vds/Vs=λvλpλtλl (1)

Vds―――实际排出容积折算到进口状态值

Vs―――工作容积

λv―――容积系数

λp―――压力系数

λt―――温度系数

λl―――泄漏系数

通常，对于已经产成且已投入运转的压缩机,用户为了进一步提高容积效率以达到增加产能的目的而想办法。于是,一个关于气阀对容积效率的影响的问题就被提出来了。一般来说,在诸多影响容积效率的各系数中,压力系数确实有潜力可挖,进而直观地认为阀片的升程会制约压力系数。鉴于一些使用单位的这种认识,本文就气阀弹簧力对压力系数λp的影响及控制进行讨论。

往复活塞压缩机中的工质循环过程如图1所示。

图1

λp=V″/V′ （2）

V″―――实际吸入气体

V′―――考虑了余隙容积中气体膨胀后的气缸有效工作容积

因此,我们首先要讨论如何计算受进气过程终了时的压力损失影响的ΔV″。

在压缩机设计过程中,我们已经有了相关的参数:行程容积Vp、相对余隙容积α、名义进气压力Ps,也可以初步假定活塞在吸气终了位置时气缸工作腔内的实际压力Pa。根据气体的过程方程,在绝热过程中

V2=V1Z2/Z1(P2/P1)1/Kt （3）

由于本文讨论的问题中P1、P2之间的差别很小,所以其压缩性系数Z1、Z2之间的差别也很小,因此将Z2/Z1按数值1处理,故有

V2=V1(P2/P1)1/Kt（4）

按图1所示的相关参数代人式(4),则有

(Vp+Vc) -ΔV″= (Vp+Vc)(Pa/Ps)1/k

即ΔV″=(Vp+Vc)(1-(Pa/Ps)1/k)(5)

在不考虑进气系统压力脉动的前提下,图1中Pa的值仅受进气阀弹簧力大小的影响

ΔP≈Qmin(6)

式(6)中的Qmin近似等于阀片全关时的平均弹簧力,其有效受力面积与受气体推力的面积大小相等。当活塞运行到吸气终了的止点位置时,吸气阀片已经基本关闭,流经气阀的气流速度趋近于零,所以阀片两侧的压差仅受弹簧力的影响。由此可知:在不考虑进气系统影响的前提下,是进气阀的弹簧力决定了ΔV″的大小。由图1可知

ΔV′+Vc=Vc(Pd/Ps)1/m(7)

V′=Vp+Vc-Vc(Pd/Ps)1/m(8)

而λp=(V′-ΔV″) /V′(9)

通过计算可知，当进气压力进一步提高时,其ΔP值对λp的影响将变得更小:当进气压力为8 MPa时,ΔPmin即使达到0.04MPa,在相对余隙容积为0.2、压缩比等于3的情况下,其λp值仍高达0.9943。而将ΔPmin降到0.02MPa(下降50% )时,其λp值为0.9971,仅提高了0.0028,不到千分之三。可见,当进气压力较高时,进气阀的最小弹簧力对压力系数的影响是非常小的。实践证明,即使考虑到进气系统造成的压力脉动的影响,其最小弹簧力仍然影响实际容积效率,脉动值仅仅是移动了进气压力基准的坐标。压力系数λp的大小在合理的设置进气阀弹簧力的情况下,随着进气压力的增高而增高。在进气压力较高时,压力系数λp值相对较高,这时改变气阀的全关弹簧力对压力系数λp值的影响很小。

二、改变气阀的全关弹簧力,对气量、功耗、容积比能均有影响

在新产品试制及在用户生产运行的过程中,经常有人将提高低压级(主要是第一级)进气阀的升程作为增加进气量(即认为可以提高压力系数λp值)的手段,而且多有成效。这里要说明的是,气量之所以提高,并不是因为升程的加大而得到的。其实质是:我们在加大气阀升程时所采取的实施方法,往往都保持原来的弹簧孔深不变。这样一来,在改变阀片升程的同时,也减小了弹簧的预压缩量,也就是降低了最小弹簧力Qmin。这样,用前边分析问题的思路就不难理解输气量提高的原因了。例如:原设计弹簧全压缩量为5 mm,升程为2 mm,全关弹簧力为0.005MPa。为了提高输气量,将升程加大到3mm,由于原弹簧孔深不变,所以全开弹簧力无变化,而全关弹簧力却明显减小;原来Qmin是在弹簧变形3 mm时得到的,现在由于升程的改变,预压缩量由3 mm改变为2 mm,因此Qmin值由0.005变为0.0033。在常压进气、介质为空气、相对余隙容积为0.1、压缩比为3的情况下,λp值将由0.9545提高到0.9697,即气量将提高1.52%。如果我们不去改变阀片升程,而是将弹簧孔加深1 mm,所得到的结果会是完全相同的。实践和理论都证明,升程偏小时对容积比能(单位输气量的功耗)有增大的影响,而对气量没有影响。对于气阀弹簧力的选取,如果Qmin值偏高,则既影响容积比能又影响气量。需要进一步说明,在一定的压比范围内,过大的弹簧力在增大容积比能和减小输气量时,其总功耗是降低的。因此,在气阀改造设计中,如果原设计弹簧力偏大,则经过合理的改造后会增大输气量(绝不会是采取加大升程的办法),同时整机的功耗也会同时增大,但容积比能会有所下降。

三、结语

综前所述,笔者在这里所要论述的问题有3点:

(1)压力系数λp受进气阀全关弹簧力的制约,而与气阀阀片的升程无关。

(2)压力系数λp的大小在合理的设置进气阀弹簧力的情况下,随着进气压力的增高而增高。在进气压力较高时,压力系数λp值相对较高,这时改变气阀的全关弹簧力对压力系数λp值的影响很小。

(3)在用改变气阀的全关弹簧力的方法来调整压力系数λp时,对气量、功耗、容积比能均有影响。最后需要说明的是,这里仅讨论了气阀弹簧力对压力系数λp值的影响,而气阀弹簧力对可靠性的影响是至关重要的。因此,万万不可片面追求容积效率而忽略了气阀工作的可靠性。

参考文献

1.郁永章等. 容积式压缩机技术手册. 机械工业出版社出版，2000

2.林梅、吴正业. 压缩机自动阀. 西安交通大学出版社出版，1990