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新型高压压缩机气阀设计计算

合肥通用机械研究院 （安徽 230031） 李蔚蔚 谭跃进 高相家

    【摘 要】介绍了新型高压压缩机气阀的设计计算，通过试验给出了性能参数的实测结果。

    【关键词】 高压压缩机 气阀 设计计算

    一、前言

    新型的“螺杆—活塞串联空压机组”系列产品，已应用于陆地、海上石油勘探及海岸空压机站等多个领域。现将该机组后段高压活塞压缩机的气阀结构设

计、计算参数和试验结果作一介绍。

    二、气阀工作条件

    气阀是高压活塞压缩机中最为关键的一个组件。压缩机运行的可靠性与经济性都与气阀设计得好坏有关。机组气阀需满足后段两级高压活塞压缩机的正常运转，压缩机主要技术参数见表1。

    三、气阀的设计与计算

    气阀的设计合理与否，直接响到排气量、排气温度及整机效率；气阀的主要特性参数，可参照有关文献规定。根据表1要求，所设计的气阀必须满足排气量大，并且排气压力高的活塞压缩机运行。因此进行气阀结构设计时确定为环状阀（如图1）[1]，保证足够的流通截面。

    为了减少气体流经气阀的压力损失，考虑了尽可能在有限的气缸阀室上获得最大的安装截面，即获得最大的气阀有效流通截面。阀隙流通面积，按文献[2]有：

  F′r = FCm/CvZv

式中 F ——活塞工作面积；

    Cm——活塞平均速度；

    Cv——阀隙流速；

Zv——同名气阀个数。

式中阀隙流速Cv不能选取过高，否则阀隙马赫数Mv增大，使平均相对压力损失增加。该机阀隙马赫数三级进气阀为0.15，排气阀为0.13，四级进气阀为0.11，排气阀为0.1，在推荐值0.08～0.25范围内。

    阀片升程为1.1～1.3mm，弹簧力的选取与升程、阀隙马赫数的关系满足0<μ<1。μ为气阀全开时弹簧力和曲柄转角θ=90°时的气体推力之比。按文献[3]有：

   式中 z ——弹簧个数；

    k——每个弹簧的刚性系数；

    H——气阀升程；

    H0——阀弹簧预压缩量；

    β——推力系数；

    ap——阀座出口处通流面

   如果μ>1，弹簧力将超过阀片全开时可能产生的最大气体推力，阀片不能充分开启或在开启时发生颤振，增加能量损失，降低压缩机效率。当μ=0或接近0

时，气阀无弹簧力或弹力太小，阀片将延迟关闭，还会使得气体“回流”。在确定m 值以后，计算阀片在弹簧力的作用下[3]，从全开位置降落到阀座上所需时间对应的曲轴转角θ1、阀片开始脱离升程器直到活塞到达止点所持续时间对应的曲轴转角θ2、阀片到达升程器直到活塞到达止点这段时间内所对应的曲轴转角θ3，检验θ2/ <0.7和θ2/θ1>2时，表明该气阀有合理的运动规律。气阀主要计算参数见表2。

    四、气量与功率的估算与测定

    图2表示了样机与螺杆压缩机串联为一系统，当压力达满负荷（总压力比25.1/2.5）时，在不同的转速下，实测容积流量Q0、排气量Qd，轴功率Nz、比功率q的实测曲线。

    当转速达1200r/min，实测容积流量Q0为0.852m3/min，换算到螺杆压缩机一级进气状态下，排气量Qd达20.9m3/min，轴功率Nz为146.3kW，比功率q 为7kW/m3·min-1。

    五、结论

    1）实测样机的性能指标与理论设计要求基本符合，即该机的主要参数选取和结构设计是比较合理的。

    2）气阀的设计按本文的方法是可行的，经验公式θ2/θ3<0.7，θ2/θ1>2用于校验气阀弹簧，可以得到较合理可靠的阀片运动规律。

参考文献

    [1]郁永章.容积式压缩机技术手册[M].北京：机械工业出版社，2005.

    [2]活塞式压缩机设计编写组. 活塞式压缩机设计[M].北京：机械工业出版社，1974.

    [3]林海，吴业正. 压缩机自动阀[M].西安：西安交通大学出版社，1991.下载本文