往復(fù)活塞壓縮機(jī)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-09-15
往復(fù)活塞壓縮機(jī)的實(shí)例教程
摘要：
往復(fù)活塞式壓縮機(jī)在許多生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，屬于高耗能的關(guān)鍵設(shè)備。余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)的研究與應(yīng)用對于提高往復(fù)壓縮機(jī)的能源利用效率，對于國家降低二氧化碳排放目標(biāo)具有重要意義。作者總結(jié)了余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)在國內(nèi)近十余年的應(yīng)用現(xiàn)狀，闡述了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展歷史，分析了在多型號、多臺套往復(fù)式壓縮機(jī)上進(jìn)行技術(shù)改造的應(yīng)用情況，根據(jù)實(shí)際改造經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了余隙無級調(diào)節(jié)氣量節(jié)能技術(shù)的所實(shí)現(xiàn)的特性指標(biāo)。該項(xiàng)技術(shù)除了能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能目標(biāo)外，還具有安全可靠性高，性價(jià)比高，優(yōu)化壓縮機(jī)的運(yùn)行環(huán)境，提高壓縮機(jī)一次性運(yùn)行周期和工作效率等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：
往復(fù)活塞式壓縮機(jī)；余隙；無級調(diào)節(jié)；氣量調(diào)節(jié)；節(jié)能
壓縮機(jī)是一種通過壓縮氣體提高氣體壓力的機(jī)械設(shè)備，產(chǎn)品和技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、化工、冶金、電力、交通、電子、船舶、紡織、食品、醫(yī)藥、城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、國防等很多領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中發(fā)揮著重要作用[1],其中，往復(fù)活塞式壓縮機(jī)在多領(lǐng)域生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛，屬于高耗能的關(guān)鍵設(shè)備；這主要是由于生產(chǎn)工藝的波動導(dǎo)致與初始設(shè)計(jì)參數(shù)不符，造成很多往復(fù)活塞式壓縮機(jī)存在能源利用效率低、無用功耗大等問題。《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中要求“十四五”期間“生產(chǎn)生活方式綠色轉(zhuǎn)型成效顯著，能源資源配置更加合理、利用效率大幅提高，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗和二氧化碳排放分別降低13.5%、18%，主要污染物排放總量持續(xù)減少”，并在“持續(xù)改善環(huán)境質(zhì)量”方面“堅(jiān)持節(jié)能優(yōu)先方針，深化工業(yè)、建筑、交通等領(lǐng)域和公共機(jī)構(gòu)節(jié)能”[2]。因此，對往復(fù)活塞式壓縮機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，降低或消除無用功耗，提高能源利用效率、降低二氧化碳排放，已是我國在“十四五”期間急需深化解決的問題之一。
展開 1.離心式壓縮機(jī)
螺桿式壓縮機(jī)又稱螺桿壓縮機(jī)。20世紀(jì)50年代，就有噴油螺桿式壓縮機(jī)應(yīng)用在制冷裝置上，由于其結(jié)構(gòu)簡單，易損件少，能在大的壓力差或壓力比的工況下，排氣溫度低，對制冷劑中含有大量的潤滑油（常稱為濕行程）不敏感，有良好的輸氣量調(diào)節(jié)性，很快占據(jù)了大容量往復(fù)式壓縮機(jī)的使用范圍，而且不斷地向中等容量范圍延伸，廣泛地應(yīng)用在冷凍、冷藏、空調(diào)和化工工藝等制冷裝置上。
以它為主機(jī)的螺桿式熱泵從20世紀(jì)70年代初便開始用于采暖空調(diào)方面，有空氣熱源型、水熱泵型、熱回收型、冰蓄冷型等。在工業(yè)方面，為了節(jié)能，亦采用螺桿式熱泵作熱回收。
2離心式壓縮機(jī)
離心式壓縮機(jī)是一種葉片旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)（即透平式壓縮機(jī)）。在離心式壓縮機(jī)中，高速旋轉(zhuǎn)的葉輪給予氣體的離心力作用，以及在擴(kuò)壓通道中給予氣體的擴(kuò)壓作用，使氣體壓力得到提高。
早期，由于這種壓縮機(jī)只適于低，中壓力、大流量的場合，而不為人們所注意。由于化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，各種大型化工廠，煉油廠的建立，離心式壓縮機(jī)就成為壓縮和輸送化工生產(chǎn)中各種氣體的關(guān)鍵機(jī)器，而占有極其重要的地位。隨著氣體動力學(xué)研究的成就使離心壓縮機(jī)的效率不斷提高，又由于高壓密封，小流量窄葉輪的加工，多油楔軸承等技術(shù)關(guān)鍵的研制成功，解決了離心壓縮機(jī)向高壓力，寬流量范圍發(fā)展的一系列問題，使離心式壓縮機(jī)的應(yīng)用范圍大為擴(kuò)展，以致在很多場合可取代往復(fù)壓縮機(jī)，而大大地?cái)U(kuò)大了應(yīng)用范圍。
3往復(fù)活塞壓縮機(jī)
是各類壓縮機(jī)中發(fā)展最早的一種，公元前1500年中國發(fā)明的木風(fēng)箱為往復(fù)活塞壓縮機(jī)的雛型。18世紀(jì)末，英國制成第一臺工業(yè)用往復(fù)活塞空氣壓縮機(jī)。20世紀(jì)30年代開始出現(xiàn)迷宮壓縮機(jī)，隨后又出現(xiàn)各種無油潤滑壓縮機(jī)和隔膜壓縮機(jī)。50年代出現(xiàn)的對動型結(jié)構(gòu)使大型往復(fù)活塞壓縮機(jī)的尺寸大為減小，并且實(shí)現(xiàn)了單機(jī)多用。
展開 在已有往復(fù)式壓縮機(jī)系統(tǒng)的建模中，大部分都是使用一維或零維模型。
往復(fù)式壓縮機(jī)通常有三個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動部件:具有規(guī)律運(yùn)動的活塞，根據(jù)作用在其上的壓力而動態(tài)開啟的進(jìn)氣閥和排氣閥。壓縮機(jī)活塞和進(jìn)出口閥片在運(yùn)行時(shí)相互作用，閥片動力學(xué)對壓縮機(jī)系統(tǒng)的效率和性能起到很大的作用，因此在仿真模型中必須同時(shí)考慮活塞壓縮機(jī)和閥片之間的耦合關(guān)系。在已有的報(bào)道中鮮有這種活塞壓縮機(jī)-閥系統(tǒng)耦合CFD模型。這是因?yàn)椋?em>往復(fù)壓縮機(jī)的三維CFD耦合建模會涉及復(fù)雜的運(yùn)動網(wǎng)格算法和可變時(shí)間步長模型，建模難度太大。Simerics MP+軟件專注于容積式流體機(jī)械（如泵和壓縮機(jī)）的CFD仿真，將往復(fù)壓縮機(jī)三維CFD網(wǎng)格劃分和求解方法模板化，解決了軟件易用性和穩(wěn)定性的問題。
展開 18世紀(jì)末，英國制成第一臺工業(yè)用往復(fù)活塞空氣壓縮機(jī)。20世紀(jì)30年代開始出現(xiàn)迷宮壓縮機(jī)，隨后又出現(xiàn)各種無油潤滑壓縮機(jī)和隔膜壓縮機(jī)。50年代出現(xiàn)的對動型結(jié)構(gòu)使大型往復(fù)活塞壓縮機(jī)的尺寸大為減小，并且實(shí)現(xiàn)了單機(jī)多用。
活塞式壓縮機(jī)使用歷史悠久，是目前國內(nèi)用得最多的制壓縮機(jī)。由于其壓力范圍廣，能夠適應(yīng)較寬的能量范圍，有高速、多缸、能量可調(diào)、熱效率高、適用于多種工況等優(yōu)點(diǎn);其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易損件多，檢修周期短，對濕行程敏感，有脈沖振動，運(yùn)行平穩(wěn)性差。
螺桿壓縮機(jī)是一種新的壓縮裝置，它與往復(fù)式相比：
優(yōu)點(diǎn)：
①機(jī)器結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，占地面積少，重量輕。
②熱效率高，加工件少，壓縮機(jī)的零件總數(shù)只有活塞式的1/10。機(jī)器易損件少，運(yùn)行安全可靠，操作維護(hù)簡單。
③氣體沒有脈動，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，機(jī)組對基礎(chǔ)不高不需要專門基礎(chǔ)④運(yùn)行中向轉(zhuǎn)子腔噴油，因此排氣溫度低。
⑤對濕行程不敏感，濕蒸汽或少量液體進(jìn)入機(jī)內(nèi)，沒有液擊危險(xiǎn)。
⑥可在較高壓比下運(yùn)行。
⑦可借助滑閥改變壓縮有效行程，可進(jìn)行10~100%的無級冷量調(diào)節(jié)。
缺點(diǎn)：
需要復(fù)雜的油處理設(shè)備，要求分離效果很好的油分離器及油冷卻器等設(shè)備，噪聲較大，一般都在85分貝以上，需要隔聲措施。
離心式與活塞式相比，有轉(zhuǎn)速高，氣量大，機(jī)械磨損小，易損件少，維護(hù)簡單，連續(xù)工作時(shí)間長，振動小，運(yùn)行平穩(wěn)，對基礎(chǔ)要求低，在大氣量時(shí)，單位功率機(jī)組的質(zhì)量輕、體積小，占地面積少，氣量可在30%~100%的范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)，易于多級壓縮和節(jié)流，可以滿足某些化工流程的要求，易于實(shí)現(xiàn)自動化，對于大型機(jī)，可以采用經(jīng)濟(jì)性較高的工業(yè)汽輪機(jī)直接拖動，這對有廢熱蒸汽的企業(yè)有經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢。缺點(diǎn)是：噪聲頻率較高，冷卻水消耗大，操作不當(dāng)時(shí)會產(chǎn)生喘振。
展開 蘇智劍等［１４］研究了不同進(jìn)排氣閥彈簧剛度和閥門預(yù)緊力對小型斜盤式空壓機(jī)排氣量和壓力脈動的影響規(guī)律，提出了一種在多級壓縮情況下單向閥的參數(shù)組合思路。
目前，學(xué)者們主要研究了壓縮機(jī)在吸排氣過程中的
流場特性、氣流脈動和氣動噪聲的變化規(guī)律，未考慮閥隙氣流馬赫數(shù)對壓縮機(jī)吸排氣過程閥隙壓力脈動以及壓縮機(jī)噪聲的影響。
本文以某微型無油壓縮機(jī)為試驗(yàn)研究對象，通
過改變氣閥閥隙有效通流幾何面積控制閥隙氣流馬赫數(shù)，采集了吸、排氣過程中不同閥隙馬赫數(shù)下閥腔及壓縮腔內(nèi)部壓力脈動信號，分析了馬赫數(shù)對閥片開啟后壓力脈動強(qiáng)度的影響。同時(shí)采集壓縮機(jī)噪聲聲壓信號，并對其進(jìn)行時(shí)頻分析，研究了吸、排氣閥隙馬赫數(shù)對壓縮機(jī)噪聲的影響。得出了改善壓縮機(jī)氣閥氣流脈動噪聲的有效方法，為往復(fù)式壓縮機(jī)氣動噪聲優(yōu)化提供依據(jù)。
2 氣閥工作過程及壓力脈動評價(jià)
２.１ 氣閥工作過程
往復(fù)活塞式壓縮機(jī)工作過程通常使用示功圖
（ｐ－Ｖ圖）或氣閥運(yùn)動規(guī)律來說明。伴隨著壓縮機(jī)吸氣－膨脹－壓縮－排氣過程，氣缸及閥腔內(nèi)壓力隨著曲柄轉(zhuǎn)角呈周期性變化。氣閥工作過程如圖１所示，活塞運(yùn)動初期壓縮機(jī)處于膨脹過程，吸排氣閥片均處于關(guān)閉狀態(tài)，隨著活塞向下運(yùn)動壓縮腔內(nèi)壓力逐漸減小；當(dāng)壓縮腔內(nèi)壓力ｐｓ小于吸氣壓力ｐ１時(shí)吸氣閥片打開進(jìn)行吸氣過程，活塞運(yùn)動到下止點(diǎn)時(shí)吸氣過程結(jié)束；隨后活塞開始向上運(yùn)動進(jìn)入壓縮過程，此時(shí)吸氣閥片關(guān)閉，壓縮腔內(nèi)壓力ｐｓ逐漸升高；當(dāng)ｐｓ大于排氣壓力ｐ２時(shí)排氣閥片打開進(jìn)入排氣階段；活塞繼續(xù)運(yùn)行到上止點(diǎn)后排氣結(jié)束，壓縮機(jī)完成一個(gè)工作循環(huán)。
展開 
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OptiStruct的活塞式壓縮機(jī)殼體介紹1個(gè)月前
**OptiStruct 是 Altair 公司推出的有限元仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件，廣泛用于活塞式壓縮機(jī)殼體的強(qiáng)度、剛度、NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）分析及輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)。**
### 一、活塞式壓縮機(jī)殼體概述
活塞式壓縮機(jī)殼體是核心承載與密封部件，主要功能：
- **支撐定位**：為曲軸、活塞、氣缸等內(nèi)部零件提供精準(zhǔn)安裝基準(zhǔn)。
- **承壓密封**：承受內(nèi)部氣體壓力
［５］ 劉麗．探究往復(fù)活塞式壓縮機(jī)氣流脈動噪聲及其降噪策略［Ｊ］．現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，２０１６，（０５）：９０－９１．
往復(fù)壓縮機(jī)在進(jìn)、排氣閥吸氣、排氣，活塞、連桿、十字頭往復(fù)運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生撞擊和噪聲，并且各缸之間的撞擊和噪聲相互干擾，如果采用常規(guī)頻譜分析的手段，頻譜圖上將呈現(xiàn)連續(xù)而密集的寬帶譜線，故障特征信號被背景噪聲所湮沒，難以提取和識別，而且振動對氣體泄漏也不敏感。
沖擊、漏氣和摩擦是往復(fù)機(jī)械最主要的信號類型，其在時(shí)域的特征如圖1所示。我們在現(xiàn)場使用的往復(fù)壓縮機(jī)是由多個(gè)氣缸組成
本文以典型4缸API 618標(biāo)準(zhǔn)的往復(fù)壓縮機(jī)組為例，簡單介紹下往復(fù)機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用配置方案。
往復(fù)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測傳感器測點(diǎn)布置示意圖：
擬配置測點(diǎn)清單（二次高壓壓縮機(jī)，4缸）：
傳感器及硬件配置介紹：
鍵相信號（Crankcase Reference Position Keyphasor）
程 強(qiáng)，劉洪佳，曾兆強(qiáng)，季龍慶
（中海油石化工程有限公司，山東濟(jì)南 ２５００００）
［摘 要］：ＬＮＧ接收站中ＢＯＧ工藝參數(shù)不可避免的會產(chǎn)生波動，甚至達(dá)到較大的溫差，這對往復(fù)式壓縮
機(jī)的壓力脈動分析產(chǎn)生較大的影響。主要研究了溫度、壓力對聲速的影響，在ＢＯＧ工藝參數(shù)變化范圍內(nèi)，溫度對聲速影響較大，壓力變化對聲速影響變化并不敏感。并采用壓縮機(jī)恒定轉(zhuǎn)速，一定的溫度梯度和壓縮機(jī)的不同轉(zhuǎn)速兩種方法分別考慮了工藝參數(shù)波動對壓力脈動模擬的影響
基于 ADAMS 的往復(fù)式活塞式壓縮機(jī)運(yùn)動機(jī)構(gòu)仿真 研究［J］． 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010，32( 9) : 83-84．
［3］ 劉振全． 渦旋壓縮機(jī)理論機(jī)構(gòu)模型［J］． 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1999，24( 2) : 1-8．
［4］ 白亮亮，唐良寶． 基于 ADAMS 活塞壓縮機(jī)動平衡虛擬設(shè)計(jì)［J］． 流體機(jī)械，2008，36( 6) : 43-45．
［5］ 趙嫚．
CONVERGE滾動活塞式壓縮機(jī)三維CFD分析案例
關(guān)于CONVERGE
，造成很多往復(fù)活塞式壓縮機(jī)存在能源利用效率低、無用功耗大等問題。
往復(fù)活塞式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)模型
往復(fù)活塞式壓縮機(jī)網(wǎng)格模型
圖3.6 活塞式壓縮機(jī)與進(jìn)出口閥的聯(lián)合仿真
04
流體機(jī)械專欄
考慮簧 片閥耦合的往復(fù)活塞壓縮機(jī)三維瞬態(tài)CFD分析
