往復活塞式壓縮機的案例
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 往復壓縮機氣閥壓力脈動及噪聲試驗分析
［關鍵詞］：往復壓縮機；氣閥；壓力脈動；噪聲
中圖分類號：ＴＨ４５７ 文獻標志碼：Ａ
文章編號：１００６－２９７１（２０２３）０３－００２２－０７
1 引言
氣閥是活塞式壓縮機的關鍵部件，同時也是壓
縮機主要節流元件及主要噪聲源之一［１，２］。在壓縮機工作時，吸排氣閥片隨著曲柄轉角周期性的開啟與關閉，導致壓縮氣體在閥隙處形成流速和壓力的周期性變化，從而在氣閥閥隙通道處形成壓力脈動［３］，壓力脈動不僅能夠引起和增大壓縮機系統及管路振動，還會增加壓縮機整機噪聲，嚴重影響壓縮機性能［４，５，６］。
壓力脈動是往復活塞式壓縮機的固有特性，無
法對其進行完全消除［７，８］。閥隙馬赫數對閥腔及壓縮腔內流場及壓力場有直接影響［９］。在壓縮機氣流壓力脈動及噪聲方面，國內外學者進行了大量的研究工作。韓寶坤等［１０］基于噴射理論對往復壓縮機吸排氣過程流場特性進行了數值模擬，研究了排氣過程中壓力脈動引起的噪聲變化規律和輻射特性。李天宇等［１１］利用ＣＦＤ仿真軟件建立了壓縮機排氣聲學仿真模型，并結合試驗數據分析了壓縮機排氣過程的湍流噪聲與脈動噪聲。馬大猷等［１２］建立了氣流脈動噴注情況下的噪聲聲壓級計算模型，將湍流噴注噪聲表達為噴注速度的函數，提出了噪聲與噴注速度及噴口壓力的依賴關系式。魏國［１３］建立了氣動噪聲輻射及傳播模型，對往復壓縮機吸、排氣過程中的流場和聲場進行了數值模擬分析，獲得了脈動速度和氣動噪聲的變化規律。
展開 多列式壓縮機主機運動件剛柔耦合仿真
高速往復活塞式壓縮機其活塞運動速度高，曲軸轉速達1000rpm，結構復雜，活塞桿的最大載荷可達十幾噸。如大功率、大排量天然氣壓縮機為六列活塞對稱布置，雖然活塞成對組成，受力平衡對稱，但活塞對曲軸的作用點不同，且每列活塞桿的作用力的大小不同，各自呈周期性變化。就對曲軸來說，其受力就比較復雜，在一個轉動周期內，各列活塞的作用力大小方向，跟隨時刻發生變化。用單純的靜態幾何結構進行應力校核計算比較復雜。故需要用剛柔耦合仿真來分析，對運動件進行至少一個周期的時程剛柔耦合求解，來觀察運動件受力變化情況及最大應力、應變區域，更為準確地仿真壓縮機運動件的受載情況，進而驗證其設計性能。
剛體動力學軟件Recurdyn與Ansys軟件的技術融合，能在Ansys MBD模塊中進行剛體分析，并提取每個時刻步的載荷進行強度分析，也可轉到Recurdyn View中來提取各件的運動曲線和其它動力學特性曲線。
在Ansys軟件中對多剛體的動力心關系設置完后，進行求解，導出sdk格式，轉入到Recurdyn軟件中進行剛柔混合時程分析，求出一個周期內零件的等效應力變化情況，同時找出零件等效應力最大的時刻值。
在對稱布置的二級六列活塞壓縮機中，針對二級二列連桿進行仿真分析，在Recurdyn軟件中，通過觀查一個周期內連桿的最大應力值變化情況，可以找到期間的最大值122.81MPa對應的時刻為0.0845秒，如下圖
圖1 二級二列連桿在運動過程中的應力變化
還回到ansys軟件中，在MBD模塊選取二級二列那個連桿實體，再選取(Time Instant for Load Transfer)瞬時時刻點（time=0.0845 sec）來提取載荷。
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 
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 【CFD專欄】模板化CFD技術及其在壓縮機數值仿真中的應用實踐
圖3.3 Simerics MP+渦旋壓縮機結構網格劃分
圖3.4 壓縮機出口閥片網格模型
圖3.5 渦旋壓縮機流場壓力分布
03
往復式壓縮機應用
往復式壓縮機具有壓力范圍廣、熱效率高、適應性強等特點，是化工合成、石油開采、空調制冷等領域必不可少的關鍵設備。往復活塞式壓縮機熱力計算是壓縮機設計中最基本及最重要的一項工作，將Simerics MP+應用于往復活塞式壓縮機可實現：
獲取壓縮機內部壓力、速度、溫度分布；
分析壓縮機熱力學特性；
優化氣閥設計；
提高效率，降低泄露；
監測流場任一點的壓力脈動，降低壓力、流量脈動和噪聲等。
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 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 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。
展開 
聚丙烯裝置往復式壓縮機隔離氣系統分析及探討
編 輯 | 化工活動家
來 源 | 石油化工自動化 寧煤
作 者 | 朱杰等
關鍵詞 | 往復式壓縮機 隔離器
共 1623 字 | 建議閱讀時間 7 分鐘
導 讀
寧煤公司600kt/a聚丙烯裝置采用Lummus Novolen氣相工藝技術，于2016年12月投產，主要生產均聚和共聚聚丙烯產品。該氣相工藝技術具有產品牌號多、丙烯單體無需氣化、產品無需干燥、固定投資費用低的優點，但在生產過程中也存在一些問題，如聚合反應催化劑活性較低，產品能耗高，反應器的控制自動化程度不夠高，中控操作人員工作強度大等。尤其在聚丙烯粉料排放系統中的載氣在輸送至載氣壓縮單元過程中夾雜細粉顆粒和三乙基鋁，嚴重影響載氣壓縮機的長周期運行。結合現場實際案例分析改進載氣壓縮機的隔離氣系統，取得了很好的效果。
載氣壓縮單元工藝流程簡介
聚丙烯裝置主要由丙烯精制、聚合、擠壓、載氣壓縮等單元組成。聚丙烯載氣壓縮單元工藝流程如下所示。
從載氣過濾器中來的載氣經過載氣冷卻器冷卻，冷卻后的載氣進入載氣壓縮機單元壓縮后，返回丙烯循環系統，注入到循環氣冷凝器的進口，再經丙烯循環泵返回反應器。
載氣壓縮機運行存在的問題
載氣壓縮機隔離氣壓力一直得不到有效監控，使得載氣壓縮單元自裝置投產以來一直無法長期穩定運行，正常運行時間不超過8×103h。隔離氣壓力低曾造成載氣壓縮機級間緩沖罐嚴重帶液，入口錐型過濾器頻繁堵塞，壓縮機活塞和氣缸表面磨損、填料函短時間磨損發生泄漏被迫停車，潤滑油品質降低，過濾器堵塞等異常情況。
展開 技術干貨| 基于GT-SUITE往復式壓縮機進氣脈動噪聲特性仿真
基于GT-SUITE往復式壓縮機進氣脈動噪聲特性仿真
摘要：
1）往復式壓縮機在吸氣過程中產生噪聲，在GT-SUITE中搭建壓縮機模型，考察壓縮機進氣過程的噪聲特性；
2）識別影響進氣噪聲的參數。
往復式壓縮機性能要求：
盡可能少的能量消耗；
盡可能高的體積效率；
可靠性和安全性；
盡可能小的噪聲水平
圖1 往復壓縮機結構及工作原理
噪聲傳遞過程：
噪聲傳遞過程如圖2所示：壓力波動是噪聲產生的主要原因，圖2中左圖是使用GT-SUITE搭建的1D模型和其他軟件搭建3D模型計算的壓力波動對比，該圖說明1D計算結果精度符合要求。
圖2 噪聲傳遞過程
噪聲傳遞路徑包括：1）沿管路傳遞到進氣口的脈動噪聲；2）經殼體的輻射噪聲。
噪聲測量：
在進氣閥處進行噪聲測試，以驗證仿真模型準確性。針對不同排量和冷媒，分別測量進氣閥處的聲壓級
1）排量分別為15cc和21cc;
2）冷媒分別是R134a和R290；
圖3 測試聲壓級對比
圖3左圖是相同冷媒R134a下，不同排量對應聲壓級，右圖是冷媒R290下，不同排量對應的聲壓級。
展開 往復活塞式發動機的高周疲勞步奏
往復活塞式發動機的高周疲勞步奏
往復活塞式發動機的高周疲勞步奏.pdf
ANSYS Forte對容積式壓縮機的仿真優勢及應用
容積式壓縮機內部涉及到可壓縮的高流速動與多相流，由于相間作用復雜、界面捕捉困難、氣液比高等問題，通過仿真解決壓縮機內部的多相流問題存在較大困難，另外壓縮機運行過程中存在的共軛傳熱、流固耦合等問題，均對CFD求解器在求解設置和收斂性上有較高要求。
壓縮機的運行是一個動態過程，因此在模擬時多采用非穩態的仿真計算，但由于較小的時間步長和比較大的求解區域，會導致計算時間長、計算量大等問題；同時想要得到動態的溫度和壓力分布，后處理也會較為復雜。
ANSYS Forte在容積式壓縮機仿真中的優勢
傳統的ANSYS CFX 或 ANSYS Fluent對容積式壓縮機的仿真均采用動網格來處理，即在每一個時間步長下網格的節點位置更新一次。ANSYS Forte在求解時采用3D瞬態可壓縮的流動，網格自動生成且不需要提前生成網格，可用于計算往復式活塞壓縮機、螺桿式壓縮機和渦旋式壓縮機等多種壓縮機形式。
在仿真過程當中，Forte可以自動檢測面與面之間小的間隙并進行網格加密處理，同時采用經驗間隙模型（Empirical gap model）來補償間隙中分辨率差的網格。當研究間隙大小對壓縮機的性能影響時，我們不需重新建立不同間隙大小的幾何模型，來對比不同尺寸下的間隙流動特征，而直接通過基于泊肅葉流動剪切應力的經驗間隙模型來得到間隙內的流動特征，從而解決了間隙網格質量差帶來的問題，同時不影響計算速度以及精度。
ANSYS Forte推薦采用Ensight對計算結果進行后處理，瞬態計算過程中，計算結果可直接立刻動態傳輸給Ensight進行分析，從而得到詳細的溫度以及壓力場信息等，同時還可以查看任意位置的網格特征。
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