活塞式制冷壓縮機氣閥的設計

活塞式制冷壓縮機氣閥的設計

1舌響閥的發(fā)展舌彈簧閥是氣閥的形狀。閥片由彈性薄鋼制成，閥片的一端固定在閥座上，另一端是自由的。由于閥片本身是柔性的啟閉元件,具有彈性,可不另設彈簧,舌簧閥具有結構簡單、運動質量輕、余系容積小的特點,從而被廣泛應用于微小型空氣壓縮機和小型制冷壓縮機上。由于閥片具有彈性,所以舌簧閥的研究源于自動閥的發(fā)展。1941年,前蘇聯(lián)學者曾發(fā)表“片狀自動閥理論與計算”;1949年美國的Costagliola完成了舌簧閥的研究,并于1950年發(fā)表了“具有彈簧壓緊的壓縮機氣閥理論”一文。20世紀70年代,美國Purdue大學的學者們,對壓縮機氣閥進行了深入細致的研究,同時帶動了舌簧閥的發(fā)展。在我國,舌簧閥的早期研究多集中于20世紀80、90年代。其中西安交通大學的學者在這方面做了大量的研究工作。文獻系統(tǒng)介紹了簧片閥運動學的基本數(shù)學模型,對閥片的流量系數(shù)、推力系數(shù)等影響氣閥效率的關鍵參數(shù)進行了研究;文獻中對舌簧閥結構設計、工作的計算機模擬、動靜態(tài)測試等做了詳盡的論述。文獻中所建立的理論為后來的舌簧閥研究工作提供了堅實的理論基礎。另外,楊樂之等對舌簧閥的工程設計、優(yōu)化設計進行了研究[5~7]。對于舌簧閥的工程設計而言,閥片的運動規(guī)律、有效流通面積,流量系數(shù),升程限制器是設計研究的關鍵問題,因此本文就這幾方面進行對比分析。2系統(tǒng)的主要組成部件是閥片、閥片和閥片,適當時關閉由舌簧閥構成的氣閥組件如圖1所示,它是由閥座、閥片和升程限制器3個主要零部件組成,閥片是受兩側氣體壓力差控制而自行起閉的自動閥。舌簧閥的有效工作狀態(tài)就是在吸排氣過程中,適時打開,適時關閉。不當?shù)拈_啟會導致壓縮機容積效率的降低,影響壓縮機的效率。2.1氣閥的動力學特性氣閥的動力學研究著重于氣閥在工作時的運動規(guī)律、狀態(tài),即閥片是否適時打開,適時關閉,以及在啟閉過程中閥片的運動曲線。氣閥的動力學性能直接影響壓縮機的經濟性與可靠性。主要的研究方法是這樣:將一端固定一端自由的舌簧閥片按其運動特征及不同的簡化條件,運用不同的力學原理,進行簡化,同時兼顧考慮氣閥、氣體、壓縮機等參數(shù),建立起相應的數(shù)學模型,并借助于計算機進行計算、模擬。最早的氣閥的動力學研究是從1950年開始的,1967年Purdue大學的Wambsganss和Cohen對舌簧閥提出多自由度的彎曲梁的數(shù)學模型,其計算曲線和實驗曲線獲得了良好的吻合。在我國,林梅等將舌簧閥作為單質點力學系統(tǒng);吳丹青將閥片當做易彎曲的梁或者薄板模型進行分析。文獻對單質點力學系統(tǒng)、連續(xù)梁力學系統(tǒng)及平板振動力學系統(tǒng)進行了對比分析,認為連續(xù)梁模型能比單質點模型更精確地反映閥片的動態(tài)響應,但對于工程設計及進一步的理論分析意義不大,因此不推薦用連續(xù)梁模型及仿真程序;當需要對閥片進行強度分析或閥片形狀優(yōu)化時,推薦使用平板模型及仿真程序;對于工程設計或僅一般了解閥片的啟閉及時性,推薦使用單質點模型及仿真程序。近幾年對舌簧閥運動規(guī)律沒有提出新的數(shù)學模型。2.2氣閥的流量分析氣閥的通流截面積有兩處,閥片開啟時,其與閥座間所形成隙縫的截面,即閥隙通流面積,以及閥座孔道處的閥座通流面積(如圖1所示)。舌簧閥的有效流通面積和流量系數(shù)影響著氣閥的效率。需要指出的是,壓縮機行程容積隨特征尺寸的三次方增大,而氣閥通道的有效面積只隨特征尺寸的二次方增大,因而在給定轉速下,隨著壓縮機尺寸的增大,越來越難為氣閥提供足夠大的流通截面。同時,所需的氣閥流通面積也正比于壓縮機轉速,故高速大型壓縮機的氣閥的設計最困難,建議采用缸徑行程比較大的設計方案。就流通截面限制來說,壓縮機越小,氣閥設計越容易。對于舌簧閥有效通流面積的研究,文獻[1、3、10]上提供了計算方法,其中通流面積的計算準則是數(shù)值方法,通過公式計算獲得,不同參考資料上提供的計算方法幾乎是一致的。而流量系數(shù)則一般采用和標準孔板相比較的方法測試獲得的,即將氣閥組件安裝在氣閥靜吹風試驗裝置上,進行試驗測定,試驗條件的不同決定著測試的數(shù)據(jù)存在著差異。文獻提供的流量系數(shù)主要考慮了不同形狀的舌簧閥隨著閥隙與閥座面積比的不同測試得到的;文獻主要考慮了舌簧閥特征升程與閥孔直徑的關系來進行測試的,并給出了詳盡的分析;楊樂之等的測試結果表明,流量系數(shù)不僅跟舌簧閥的形狀有關,而且與孔的數(shù)量,與隸屬于吸氣閥片還是排氣閥片均有關系。作者在設計氣缸徑為Υ73壓縮機(容積是151m3/h)的吸排氣閥片時,分別參考了文獻和提供的流量系數(shù),從試驗結果上看(試驗是由壓縮機來測試的),文獻的數(shù)據(jù)氣閥模型較為準確一些。從樣機測試的結果上可以看出,流量系數(shù)的確定,不僅要考慮舌簧閥特征升程與閥孔直徑的關系,閥片的形式(比如單孔閥還是多孔閥),還要考慮閥片的吸排氣狀態(tài)、以及氣缸直徑的大小等因素。因此工程設計人員在參考這些數(shù)據(jù)的時候需要根據(jù)自己設計有條件地進行選擇,而且要經過試驗驗證后再進行修正優(yōu)化,最終得到符合自己產品的設計參數(shù),且不可盲目的進行搬用。需要指出的是氣閥通流面積的增加,可以使氣閥閥隙馬赫數(shù)明顯下降,壓縮機的能效比提高,而且還可以降低排氣溫度。但是氣閥通流面積的增大不能用增加氣閥升程的方法來實現(xiàn),因為氣閥升程的增加會降低氣閥的壽命,以及產生高噪聲等危害[11、12]。2.3閥片升程設計升程限制器是氣閥組件的重要組成部件,在以舌簧閥為特征的氣閥組件中,吸氣閥片通常沒有升程限制器,而是在氣缸的相應位置,開設一個凹槽,限制吸氣閥片的行程(參見圖1)。所以,本文重點討論排氣升程限制器,在部分文獻中又稱為限位閥片。升程限制器的形狀將直接影響閥片的運動規(guī)律和壽命,同時也影響氣流的有效流通面積。目前對升程限制器的研究多集中于限制器的線型、特征升程(圖1所示的los即為特征升程)以及對閥片壽命的影響[11~17]。由于舌簧閥的彎曲疲勞斷裂經常發(fā)生于閥片根部及相對的孔部位[13~16,30],因此升程限制器的形狀應與閥片運動撞擊升程限制器時的運動規(guī)律相適應,這樣接觸應力小,閥片壽命長。文獻給出了常用的3種升程器的結構形式(參見圖2),其主要區(qū)別是根部的形狀不同。目前,在小型制冷壓縮機氣閥的設計中,對升程器限制器的形狀并沒有一個固定的設計模式,一般都采用弧形,目的是為了改善閥片在運動時根部和氣孔處的受力狀況。文獻通過有限元對這3種升程器進行分析,計算了閥片根部彎曲應力,并對比了他們的優(yōu)缺點。指出圓弧式升程限制器使閥片有更好的運動特性。文獻針對弧面升程器的4種線型進行對比分析,如圖3所示,直線型,單曲率型,雙直線型,單曲率直線型,并指出經過試驗測試單曲率直線型(前部直線和根部直線均與大圓弧相切)一方面可以使氣流有效通流面積增大,根部變形減小,另一方面其線型與閥片實際運動的變形比較吻合,使得閥片撞擊應力減小。作者在設計條狀舌簧閥時分別采用了單曲率和單曲率直線型兩種方案,經分析發(fā)現(xiàn),對于小型制冷壓縮機,采用單曲率和單曲率直線型限制器形狀幾乎一致,對于中型壓縮機,兩種方案的限制器形狀存在一定差異,單曲率直線型設計方案的優(yōu)點得以體現(xiàn),即流通面積比較大,特征升程比較小。對于升程限制器特征升程的計算,最常見的是根據(jù)材料力學理論提出的公式進行計算,文獻則根據(jù)振動力學的理論,提出了條狀簧片閥升程限制器曲率的工程計算方法。作者在設計閥片時,分別采用兩個公式進行計算,并繪制出圖形,對比分析之后發(fā)現(xiàn),兩種設計方案的計算結果幾乎一致,線型基本重合。舌簧閥的升程是影響閥片壽命的一個決定性因素,很多學者對此進行了研究。閥片升程大,氣閥有大的閥隙通流面積,壓力損失降低,馬赫數(shù)小,但是升程過大,閥片的撞擊速度隨之加大,閥片磨損加快,導致閥片使用壽命降低。作者在設計中,將升程從3.5mm增加到5.5mm,運轉幾個小時后,閥片與閥座接觸部分便出現(xiàn)了明顯的磨損痕跡。因此在設計閥片升程時,要兼顧閥隙通流面積和閥片撞擊速度兩方面的因素,在保證通流面積的前提下,盡量降低閥片的升程。對于中小型半封閉活塞式制冷壓縮機,一般特征升程可以控制在3.5~1.7mm之間,小型的可取下限值,中型的可取上限值,吸排氣閥片的升程可以選用相同的值。3對閥片的設計要求活塞式制冷壓縮機發(fā)展歷史悠久,具有豐富的設計、研究、制造和運行經驗,同時現(xiàn)代計算機和新材料的發(fā)展,推動了舌簧閥從實驗室進入了工廠,目前圍繞舌簧閥的優(yōu)化設計多是在已有的理論基礎上進行改進的,比如對閥片的運動規(guī)律進行改進,對舌簧閥形狀優(yōu)化等。近十幾年在舌簧閥的設計上沒有提出更新的設計方法,這說明舌簧閥的設計理論已日趨完善。隨著現(xiàn)代制造業(yè)和材料科學的發(fā)展,使得閥片的制造精度大幅提高,其所用的材料的機械的機械性能也比以前有了更多的改善。作者在設計中發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有文獻上提供很多設計參數(shù)(比如流量系數(shù),推