往復活塞壓縮機的案例
往復活塞式壓縮機余隙無級調節氣量節能技術的應用進展
摘要：
往復活塞式壓縮機在許多生產領域中應用廣泛，屬于高耗能的關鍵設備。余隙無級調節氣量節能技術的研究與應用對于提高往復壓縮機的能源利用效率，對于國家降低二氧化碳排放目標具有重要意義。作者總結了余隙無級調節氣量節能技術在國內近十余年的應用現狀，闡述了該項技術的發展歷史，分析了在多型號、多臺套往復式壓縮機上進行技術改造的應用情況，根據實際改造經驗，總結了余隙無級調節氣量節能技術的所實現的特性指標。該項技術除了能夠實現節能目標外，還具有安全可靠性高，性價比高，優化壓縮機的運行環境，提高壓縮機一次性運行周期和工作效率等優點。
關鍵詞：
往復活塞式壓縮機；余隙；無級調節；氣量調節；節能
壓縮機是一種通過壓縮氣體提高氣體壓力的機械設備，產品和技術廣泛應用于石油、天然氣、化工、冶金、電力、交通、電子、船舶、紡織、食品、醫藥、城市基礎設施建設、國防等很多領域，在國民經濟的發展中發揮著重要作用[1],其中，往復活塞式壓縮機在多領域生產中應用較為廣泛，屬于高耗能的關鍵設備；這主要是由于生產工藝的波動導致與初始設計參數不符，造成很多往復活塞式壓縮機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濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中要求“十四五”期間“生產生活方式綠色轉型成效顯著，能源資源配置更加合理、利用效率大幅提高，單位國內生產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減少”，并在“持續改善環境質量”方面“堅持節能優先方針，深化工業、建筑、交通等領域和公共機構節能”[2]。因此，對往復活塞式壓縮機進行節能改造，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 螺桿、離心、往復活塞式三種壓縮機比較
1.離心式壓縮機
螺桿式壓縮機又稱螺桿壓縮機。20世紀50年代，就有噴油螺桿式壓縮機應用在制冷裝置上，由于其結構簡單，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，有良好的輸氣量調節性，很快占據了大容量往復式壓縮機的使用范圍，而且不斷地向中等容量范圍延伸，廣泛地應用在冷凍、冷藏、空調和化工工藝等制冷裝置上。
以它為主機的螺桿式熱泵從20世紀70年代初便開始用于采暖空調方面，有空氣熱源型、水熱泵型、熱回收型、冰蓄冷型等。在工業方面，為了節能，亦采用螺桿式熱泵作熱回收。
2離心式壓縮機
離心式壓縮機是一種葉片旋轉式壓縮機（即透平式壓縮機）。在離心式壓縮機中，高速旋轉的葉輪給予氣體的離心力作用，以及在擴壓通道中給予氣體的擴壓作用，使氣體壓力得到提高。
早期，由于這種壓縮機只適于低，中壓力、大流量的場合，而不為人們所注意。由于化學工業的發展，各種大型化工廠，煉油廠的建立，離心式壓縮機就成為壓縮和輸送化工生產中各種氣體的關鍵機器，而占有極其重要的地位。隨著氣體動力學研究的成就使離心壓縮機的效率不斷提高，又由于高壓密封，小流量窄葉輪的加工，多油楔軸承等技術關鍵的研制成功，解決了離心壓縮機向高壓力，寬流量范圍發展的一系列問題，使離心式壓縮機的應用范圍大為擴展，以致在很多場合可取代往復壓縮機，而大大地擴大了應用范圍。
3往復活塞壓縮機
是各類壓縮機中發展最早的一種，公元前1500年中國發明的木風箱為往復活塞壓縮機的雛型。18世紀末，英國制成第一臺工業用往復活塞空氣壓縮機。20世紀30年代開始出現迷宮壓縮機，隨后又出現各種無油潤滑壓縮機和隔膜壓縮機。50年代出現的對動型結構使大型往復活塞壓縮機的尺寸大為減小，并且實現了單機多用。
展開 【流體機械專欄】考慮簧 片閥耦合的往復活塞壓縮機三維瞬態CFD分析
在已有往復式壓縮機系統的建模中，大部分都是使用一維或零維模型。
往復式壓縮機通常有三個獨立的運動部件:具有規律運動的活塞，根據作用在其上的壓力而動態開啟的進氣閥和排氣閥。壓縮機活塞和進出口閥片在運行時相互作用，閥片動力學對壓縮機系統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考慮活塞壓縮機和閥片之間的耦合關系。在已有的報道中鮮有這種活塞壓縮機-閥系統耦合CFD模型。這是因為，往復壓縮機的三維CFD耦合建模會涉及復雜的運動網格算法和可變時間步長模型，建模難度太大。Simerics MP+軟件專注于容積式流體機械（如泵和壓縮機）的CFD仿真，將往復壓縮機三維CFD網格劃分和求解方法模板化，解決了軟件易用性和穩定性的問題。
展開 三種壓縮機性能特點、優缺點比較，快收藏！
18世紀末，英國制成第一臺工業用往復活塞空氣壓縮機。20世紀30年代開始出現迷宮壓縮機，隨后又出現各種無油潤滑壓縮機和隔膜壓縮機。50年代出現的對動型結構使大型往復活塞壓縮機的尺寸大為減小，并且實現了單機多用。
活塞式壓縮機使用歷史悠久，是目前國內用得最多的制壓縮機。由于其壓力范圍廣，能夠適應較寬的能量范圍，有高速、多缸、能量可調、熱效率高、適用于多種工況等優點;其缺點是結構復雜，易損件多，檢修周期短，對濕行程敏感，有脈沖振動，運行平穩性差。
螺桿壓縮機是一種新的壓縮裝置，它與往復式相比：
優點：
①機器結構緊湊，體積小，占地面積少，重量輕。
②熱效率高，加工件少，壓縮機的零件總數只有活塞式的1/10。機器易損件少，運行安全可靠，操作維護簡單。
③氣體沒有脈動，運轉平穩，機組對基礎不高不需要專門基礎④運行中向轉子腔噴油，因此排氣溫度低。
⑤對濕行程不敏感，濕蒸汽或少量液體進入機內，沒有液擊危險。
⑥可在較高壓比下運行。
⑦可借助滑閥改變壓縮有效行程，可進行10~100%的無級冷量調節。
缺點：
需要復雜的油處理設備，要求分離效果很好的油分離器及油冷卻器等設備，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，有轉速高，氣量大，機械磨損小，易損件少，維護簡單，連續工作時間長，振動小，運行平穩，對基礎要求低，在大氣量時，單位功率機組的質量輕、體積小，占地面積少，氣量可在30%~100%的范圍內無級調節，易于多級壓縮和節流，可以滿足某些化工流程的要求，易于實現自動化，對于大型機，可以采用經濟性較高的工業汽輪機直接拖動，這對有廢熱蒸汽的企業有經濟的優勢。缺點是：噪聲頻率較高，冷卻水消耗大，操作不當時會產生喘振。
展開 
往復壓縮機氣閥壓力脈動及噪聲試驗分析
蘇智劍等［１４］研究了不同進排氣閥彈簧剛度和閥門預緊力對小型斜盤式空壓機排氣量和壓力脈動的影響規律，提出了一種在多級壓縮情況下單向閥的參數組合思路。
目前，學者們主要研究了壓縮機在吸排氣過程中的
流場特性、氣流脈動和氣動噪聲的變化規律，未考慮閥隙氣流馬赫數對壓縮機吸排氣過程閥隙壓力脈動以及壓縮機噪聲的影響。
本文以某微型無油壓縮機為試驗研究對象，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，采集了吸、排氣過程中不同閥隙馬赫數下閥腔及壓縮腔內部壓力脈動信號，分析了馬赫數對閥片開啟后壓力脈動強度的影響。同時采集壓縮機噪聲聲壓信號，并對其進行時頻分析，研究了吸、排氣閥隙馬赫數對壓縮機噪聲的影響。得出了改善壓縮機氣閥氣流脈動噪聲的有效方法，為往復式壓縮機氣動噪聲優化提供依據。
2 氣閥工作過程及壓力脈動評價
２.１ 氣閥工作過程
往復活塞式壓縮機工作過程通常使用示功圖
（ｐ－Ｖ圖）或氣閥運動規律來說明。伴隨著壓縮機吸氣－膨脹－壓縮－排氣過程，氣缸及閥腔內壓力隨著曲柄轉角呈周期性變化。氣閥工作過程如圖１所示，活塞運動初期壓縮機處于膨脹過程，吸排氣閥片均處于關閉狀態，隨著活塞向下運動壓縮腔內壓力逐漸減小；當壓縮腔內壓力ｐｓ小于吸氣壓力ｐ１時吸氣閥片打開進行吸氣過程，活塞運動到下止點時吸氣過程結束；隨后活塞開始向上運動進入壓縮過程，此時吸氣閥片關閉，壓縮腔內壓力ｐｓ逐漸升高；當ｐｓ大于排氣壓力ｐ２時排氣閥片打開進入排氣階段；活塞繼續運行到上止點后排氣結束，壓縮機完成一個工作循環。
展開 往復活塞對氣缸內空氣的絕熱壓縮
參考資料：ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual
算例說明
本案例模擬了空氣由于活塞在矩形盒內的運動而受到絕熱壓縮，模型中上止點（TDC）對應于曲柄角為360°，活塞在到達TDC后向后移動。
計算域：10 m X 8 m
物質屬性：物質密度為理想氣體，粘度為1.7894e-5 kg/m-s
邊界條件：使用移動網格模擬活塞運動
網格劃分
采用三角形網格，網格數量為282
計算設置
本次計算為瞬態流動。
物質屬性
計算物質設置密度等參數
湍流模型
選擇為層流
動網格
（1）移動網格參數
激活In-Cylinder
（2）移動區域
設置活塞為剛性移動
設置氣缸壁為變形區域
邊界條件
各壁面為絕熱邊界
求解控制
（1）求解方法
（2）松弛因子
（3）時間步長設置
計算結果
計算域云圖展示
（1）壓力云圖
（2）溫度云圖
計算值與實驗值對比
（1）溫度隨時間變化數值對比
（2）壓力隨時間變化數值對比
參考文獻
L.D. Russell, G.A. Adebiyi, Classical Thermodynamics, Saunders College Publishing, Philadelphia, PA, 1993
展開 往復壓縮機典型狀態監測方案
監測具有以下特點：
連續在線監測活塞桿移動的最大幅度和方向以及具有最大幅度時的曲柄角度，從而可以在必要時進行支撐環替換或十字頭維修以延長壽命。
氣缸壓力（Cylinder Pressure）
檢測往復式壓縮機整體運行狀況的最有效的方法就是監測氣缸壓力。對每個壓縮機氣缸的內部壓力進行在線監測，可以實現對氣缸壓力，壓縮比，尖峰活塞桿負荷以及活塞桿反向的連續監測，從而可以獲得吸氣閥，排氣閥，活塞環，填料軸封和十字頭銷的狀態信息。
氣缸壓力通過永久安裝在每個氣缸膛上的壓力傳感器進行監測。氣缸壓力和曲軸位置用于連續的狀態監測和性能計算。對每個連續監測點都可以分別進行報警和危急設定點設置。
閥門溫度（Valve Temperature）
吸氣和排氣閥通常是往復式壓縮機中維修率最高的部件。故障閥會明顯降低壓縮機的效率。溫度監測模塊能夠顯示壓縮機閥門溫度并幫助管理往復設備。
采用閥門溫度監測所帶來的好處有：
早期確定損壞和有故障的閥門。損壞的閥門會導致容量變小，效率降低或由于閥門部件落入氣缸而損壞氣缸套。
確定活塞頭與曲柄端之間是否有由于活塞環的損壞或磨損而帶來的氣體泄漏。
在正常運行條件下，閥門附近的氣體溫度增加是閥門故障的首要表現。溫度監測模塊提供了閥門溫度變化的早期警報，并幫助操作員找到故障閥門。操作員應利用趨勢顯示跟蹤溫度數據變化，因為當泄漏持續發展，閥門的溫度將恢復到正常。
在壓縮同一種氣體時，發生泄漏的氣閥溫度會高于正常值，引起氣閥蓋溫度升高。由于每個閥門的正常運行溫度隨著負荷、氣量和周圍溫度的變化而不同，所以必須比較在相同過程工況下相似閥門的溫度。監測這些閥門之間的溫度差可以提供早期和可靠的閥門性能降低指示。
展開 OptiStruct的活塞式壓縮機殼體介紹
**OptiStruct 是 Altair 公司推出的有限元仿真與結構優化軟件，廣泛用于活塞式壓縮機殼體的強度、剛度、NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）分析及輕量化優化設計。**
### 一、活塞式壓縮機殼體概述
活塞式壓縮機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、氣缸等內部零件提供精準安裝基準。
- **承壓密封**：承受內部氣體壓力，防止制冷劑/壓縮介質泄漏。
- **減振降噪**：隔離并衰減活塞往復運動產生的振動與噪聲。
- **散熱**：散發壓縮過程產生的熱量。
**結構形式**：
- **開啟式**：整體鑄造結構，強度高，用于大中型工業壓縮機。
- **全封閉/半封閉**：上下殼體（沖壓鋼板或鑄鋁）焊接/螺栓連接，用于制冷空調領域。
**常用材料**：
- **鑄鐵**（HT200、HT250）：強度高、阻尼好、成本低，用于大型機。
- **鑄鋁**（ADC12、A380）：輕量化、散熱好，用于小型制冷壓縮機。
- **鋼板**（SPHC、Q235）：沖壓焊接，用于封閉式殼體。
### 二、OptiStruct 核心分析與優化流程
#### 1. 有限元模型建立（HyperMesh + OptiStruct）
- **幾何處理**：簡化倒角、小孔，抽取中面。
- **網格劃分**：殼單元（Shell），尺寸2–5mm。
- **連接模擬**：焊縫（Seam/Weld）、螺栓（RBE2/3）。
展開 往復壓縮機典型故障特征
圖1 沖擊、漏氣和摩擦的沖擊特征
圖2 超聲波、振動信號的頻段劃分
往復壓縮機的常見故障機理、典型特征
往復壓縮機主要由曲軸、連桿、十字頭、活塞桿、活塞、氣閥、缸體、機座等組成，通過吸氣、壓縮、排氣、膨脹實現氣體的增壓。活塞壓縮機結構復雜，故障較多，常見故障有氣閥漏氣、活塞環磨損、連桿大頭瓦磨損等故障。
氣閥的故障機理和特征分析
壓縮機氣閥為自動閥，由閥座、閥片、彈簧和升程限制器組成。它借助于氣缸和閥腔之間的氣體壓力差而開啟，并由于受到進、排氣過程中流經氣閥的氣流推力作用而上升;當推力大于彈簧的反作用力時，閥片停留在升程限制器上;反之，當氣流推力小于彈簧力時，閥片便向下關閉。氣閥是活塞壓縮機中最為關鍵的一個組件，也是易于損壞且故障率最高的部件，占總故障的60%以上。它的工作狀況直接影響到壓縮機的排氣量、功率消耗等性能，也影響到運轉的可靠性。
壓力-轉角曲線
根據進排氣壓力、溫度、氣體組分、余隙等參數計算理論壓力-轉角曲線；
缸頭端的缸內壓力-轉角曲線與理論曲線比較；
曲軸端的缸內壓力-轉角曲線與理論曲線比較。
Logp-LogV曲線
由氣體的過程方程pVn=常數
兩邊取對數可得Logp+ nLogV=常數，這是一個斜率為n，變量為Logp和LogV的線性方程。n是壓縮和膨脹的過程指數，它的值由氣體的組分、壓力、溫度所決定。ne表示膨脹的過程指數，nc表示壓縮的過程指數，n是ne與nc的比值。正常情況下，n值應該等于1。
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展開 CONVERGE滾動活塞式壓縮機三維CFD分析案例
CONVERGE滾動活塞式壓縮機三維CFD分析案例
關于CONVERGE
CONVERGE是由美國Convergent Science Inc（CSI）公司2006年開發的一款新一代CFD軟件。因為它一CSI舉解決了CFD領域中非常棘手的全自動六面體網格剖分和運動邊界處理問題，并具備完善的湍流、噴霧、燃燒、排放等發動機缸內分析需要的各種物理模型而在行業大獲好評和推薦！CONVERGE首先被成功應用到活塞式發動機行業，包括柴油機、汽油機、天然氣/乙醇/氫氣/混合氣體發動機等，如今，CONVERGE已一躍成為國內外發動機設計領域使用最廣泛的知名CFD分析工具!
滾動活塞式壓縮機具備結構簡單，部件少，制造成本低，效率和可靠性高等優點，在小容量冰箱或空調被大量使用。其主要工作部件（如圖1）包括靜態氣缸、偏心滾動轉子、滑片和排氣閥等。所有部件之間存在兩條主要的接觸線，分別是偏心轉子和氣缸壁之間以及滾動轉子和滑片之間。兩條接觸線使整個腔室分為吸氣室和壓縮室。吸氣室和進氣道相連，隨著轉子轉動，腔體擴張，氣體進入腔室。同時，壓縮室體積減小，一旦壓力足夠大，排氣閥打開，壓縮氣體排出。
展開 
基于OptiStruct的活塞式壓縮機殼體VTF仿真分析及形貌優化
1 薄板結構振動聲輻射
1.1 聲輻射理論
往復壓縮機通過曲柄連桿機構將電機的旋轉運動轉換為活塞的往復運動，從而將機械能轉換為氣體的壓力能，轉換過程中做旋轉運動的曲柄等因其質心偏離旋轉中心而產生旋轉慣性力，活塞等因往復運動而產生往復慣性力，旋轉慣性力及往復慣性力通過座簧激勵壓縮機外殼，使其產生彎曲振動。往復壓縮機外殼通常采用2～6 mm的鋼板，其厚度尺寸遠小于長寬尺寸，為薄板結構。當殼體被激振起來時，將帶動殼體表面的空氣層振動，從而產生輻射噪聲。壓縮機殼體即為面聲源，將面聲源鑲嵌在無限大障板中去研究。如圖1所示為薄板結構離散圖，假設為一鑲嵌在無限大障板的矩形薄板，薄板結構被均分成有限個面積相等的振動單元，薄板的振動傳遞到半空間中觀察點的聲壓可由Rayleigh積分得出[6-8]。
展開 冰箱往復壓縮機運動部件分析
本案例主要介紹了冰箱往復式壓縮機運動部件的動力學分析，包含了曲軸、連桿、活塞等。壓縮機作為制冷系統的心臟，將曲軸的轉動通過連桿轉變為活塞的直線往復運動，實現制冷劑的壓縮與膨脹過程。因此壓縮機工作狀況將直接影響整個系統的穩定性，尤其是運動部件的磨損很大程度上決定了壓縮機的壽命。
本案例通過ansys workbench瞬態動力學分析模塊，對壓縮機運動部件進行了應力分析，得到不同部件的應力分布情況，對后續零部件的優化設計提供一定指導方向。
模型：本案例不分析氣缸座的受力，因此對其進行了簡化。
接觸及邊界條件：運動部件施加運動副、接觸區域施加摩擦接觸，系數為0.1；邊界旋轉360度，本案例不考慮旋轉速度的影響。
結果：
分析：在運動部件中曲軸、連桿應力相對較大，可能更容易出現零件磨損。而活塞在氣缸座中存在余隙，進行間隙運動因此其應力較小，不易發生磨損。
展開 【ＢＯＧ工藝參數波動對往復壓縮機脈動模擬影響分析】
程 強，劉洪佳，曾兆強，季龍慶
（中海油石化工程有限公司，山東濟南 ２５００００）
［摘 要］：ＬＮＧ接收站中ＢＯＧ工藝參數不可避免的會產生波動，甚至達到較大的溫差，這對往復式壓縮
機的壓力脈動分析產生較大的影響。主要研究了溫度、壓力對聲速的影響，在ＢＯＧ工藝參數變化范圍內，溫度對聲速影響較大，壓力變化對聲速影響變化并不敏感。并采用壓縮機恒定轉速，一定的溫度梯度和壓縮機的不同轉速兩種方法分別考慮了工藝參數波動對壓力脈動模擬的影響，并比較了兩者的優缺點。
［關鍵詞］：壓力脈動；不同轉速；不同溫度
中圖分類號：ＴＨ４５７ 文獻標志碼：Ａ
文章編號：１００６－２９７１（２０２３）０３－００３６－０４
１ 引言
ＬＮＧ接收站內由于裝卸、運輸過程中不可以避
免的與外界進行熱交換會產生大量的ＢＯＧ，往復式壓縮機是ＬＮＧ接收站ＢＯＧ回收利用的關鍵設備。隨著季節、負荷的不同，ＢＯＧ溫度、壓力會產生較大的變化，不同地域ＬＮＧ接收站其壓縮機入口溫度也不同［１］。溫度壓力的變化對壓縮機壓力脈動分析會有較大的影響，介質的工藝參數波動范圍大，其相應的特性范圍變化大，聲速也會在較大的范圍內變化，從而導致管道系統的氣柱固有頻率也會發生相應的變化，這也對往復式壓縮機壓力脈動的分析控制造成了很大的困難。本文主要利用脈動分析軟件ＢｅｎｔｌｅｙＰＵＬＳ研究了溫度壓力對聲速的影響，然后采用壓縮機恒定轉速，一定的溫度梯度和壓縮機的不同轉速兩種方法分別考慮了工藝參數波動對壓力脈動模擬的影響，并比較了兩者的優缺點。
２ ＢＯＧ工藝參數波動對聲速影響分析
激發頻率ｆ是由壓縮機轉速決定的。對確定的
管系來說，其共振管長主要受聲速影響。
展開 往復式壓縮機吸排氣閥組流固耦合仿真研究
應用該仿真模型對某量產變頻壓縮機閥組進行了仿真優化與實驗對比，閥組優化方案顯著提升了整機性能，有效驗證了該仿真模型的可靠性。流固耦合仿真在現有產品的性能提升以及新產品的正向設計中發揮著越來越重要的作用。
關鍵詞
Keywords
往復式壓縮機；吸排氣閥組；流固耦合
DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2022.02.015
0 引言
往復式壓縮機是冰箱制冷系統中的核心部件之一（如圖1所示），其可靠性和能效比（COP）對于冰箱系統運行具有重要的影響。往復式壓縮機通常采用簧 片式吸排氣閥組來控制制冷劑的流動，并配置有吸、排氣消音 器進行消音降噪。實驗中發現閥組以及吸排氣流路的設計對于壓縮機的冷量和COP具有顯著的影響，因此進行吸排氣閥組的研究對于提高壓縮機性能具有重要的意義。
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