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基于CFX的往复压缩机气缸气阀腔结构研究

付冰洋   点击:

  1、气阀腔结构分析

  在往复压缩机中,气阀腔是受压缩介质在气缸中气口与工作腔之间流通的必经通道。设计气阀腔时要保证气体流通顺畅,流速控制在适当范围内,减小压力损失。气阀腔结构,通流面积,以及压阀罩的安装状态都会影响气缸内介质的流通。

  对于铸件气缸和锻件气缸,气阀腔结构有较大的差别。铸件气缸按进排气阀数量可分为一进一出、两进两出、三进三出等,进排气数量相同的气缸又可分为羊角缸、圆缸等多种形式,因此,形成了结构多样的气道和气阀腔。铸造气缸可以设计并易于制成复杂形状,气阀腔和气道通流面积较大,过度圆滑,有较好的气流流通效果。铸件气缸的气阀腔不作为本文研究的重点。

  锻件气缸的气阀腔和气道是通过在锻件毛坯上钻、镗等切削加工方法成形的,结构形式固定,且相对简单。在气缸设计过程中,为减小气缸外形尺寸,节省材料,通常会控制气阀腔尺寸。如果设计不当,就会造成气体流通不畅,流速升高等问题。

  对于压阀罩结构而言,铸件压阀罩采用方窗作为气流通道,一般通流面积较大,可以形成较好的气流通道。锻件压阀罩采用圆孔作为气流通道,考虑到本身尺寸和强度问题,圆孔不会设计很大,总面积与气道通流面积相当即可。

  通过上面的分析,对于高压气缸,即采用锻件气缸和锻件压阀罩的形式,气阀腔内的气流通道相对狭小,需要对其进一步优化设计,这种情况也是本文研究的重点。

  本文采用流体动力学分析软件CFX,对气阀腔内的流场情况进行分析计算。通过改变压阀罩安装状态和气阀腔尺寸分别进行计算,总结出这两种因素对气流流动的影响情况,从而指导设计工作。

  2、基于CFX的气阀腔流场分析

  计算流体动力学分析(CFD)是通过计算机进行数值计算的方法,模拟流体流动时的各种相关物理现象,包括流动、热传导、声场等。

  ANSYS Workbench中的CFD软件包括Fluent、CFX和POLYFLOW。CFX从精确性、可靠性、并行能力和后处理来讲,都要优于其它两种。因此,本文选用CFX进行问题的研究。

  首先应用SolidWorks建立气缸气阀腔局部的装配模型,装配体中包括:缸体、阀孔盖、压阀罩、气阀、垫片,具体模型如图1所示,主要尺寸见表1。本文分析气阀腔内气体的流动,因此采用布尔运算中删减功能求解出气体的流体计算域,如图2所示。

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  将流体计算域三维模型导入ANSYS Work原bench,并将计算区域类型改为流体区域。划分网格时,将几何体透明度设定为0.7,网格用途为CFD网格,求解器设置为CFX,网格尺寸中Relevance Center为Fine。设定计算域为进气阀阀腔,气道为入口,命名为inlet,气阀腔出口(即气阀入口)为outlet,计算域网格模型如图3所示。

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  模型材料设置为气体介质:Air at 25℃,重力加速度为Y轴方向,大小为-9.8 m/s2 。设置模型的边界条件,具体设置方法见表2。求解器保持默认设置,最大迭代步数为200,收敛残差判据为1×10-4

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  3 压阀罩安装状态对流场的影响

  压阀罩安装时,通流圆孔的朝向影响气流路径的通畅。本文针对有4个圆孔的锻件压阀罩,设置3种压阀罩安装方向进行研究。分别为圆孔中心线与气道中心线重合,中心线之间夹角为22.5度,中心线之间夹角为45度,具体的安装状态如图4所示。

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  3.1 中心线重合

  计算压阀罩圆孔中心线与气道中心线重合时气阀腔内的流场状况。气阀腔内气体流速的三维流线图如图5所示,压阀罩水平剖分平面上的流速云图如图6所示。计算结果可以看出,气流通过正对气道的压阀罩圆孔时流速最高为21.2 m/s。

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  绘制气流速度为15m/s的等速云图,如图7所示。图中可以直观看出气流流速较高的位置,以及高速气流的流向。

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  气流出口处的流速云图如图8所示。流体计算域出口即为气阀入口,从计算结果可以看出,气流进入气阀时流速并不均匀,图中下半部局部流速较高,会造成气阀的偏吹现象,导致阻力损失增加与阀片的提前破坏。

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  可以用出口流速不均匀度N大致评判气阀发生偏吹现象的严重程度。

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  式中  Vmin——出口流速较高一半的平均流速
  Vmin——出口流速较低一半的平均流速
  Vo——出口平均流速
  经过计算可以得出,压阀罩圆孔中心线与气道中心线重合时,出口流速不均匀度N=0.47。

  3.2 中心线之间夹角为22.5°

  计算压阀罩圆孔中心线与气道中心线之间夹角为22.5°时气阀腔内的流场状况。气阀腔气体流速的三维流线图如图9所示,压阀罩水平剖分平面上的流速云图如图10所示。气流通过偏向气道的压阀罩圆孔时的流速最高为27m/s。

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  气流出口处的流速云图如图11所示。从计算结果可以看出,气流进入气阀时流速并不均匀,图中左半部分流速较高,会造成气阀的偏吹现象,出口流速不均匀度N=0.7。

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  3.3 中心线之间夹角为45°

  计算压阀罩圆孔中心线与气道中心线之间夹角为45°时气阀腔内的流场状况。气阀腔气体流速的三维流线图如图12所示,压阀罩水平剖分平面上的流速云图如图13所示。气流通过靠近气道的2个压阀罩圆孔时的流速最高,且它们的流速相当为31m/s。

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  气流出口处的流速云图如图14所示。从计算结果可以看出,气流进入气阀时流速并不均匀,图中下半部分流速较高,会造成气阀的偏吹现象,出口流速不均匀度N=0.48。
 

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  通过对比上面的计算结果可以看出,当压阀罩圆孔中心线与气道中心线重合时,流场内的最大流速最小,中心线之间夹角为22.5°时;其次,中心线之间夹角为45°时,最大流速最大。从气阀偏吹的程度来说,中心线重合与中心线之间夹角为45°时,出口流速不均匀度相差很小,偏吹情况基本相近,中心线之间夹角为22.5°时,偏吹较为严重。综合来说,当压阀罩圆孔中心线与气道中心线重合时,介质流经气阀腔的流通效果最好。

  在气缸设计以及装配时,应尽量使压阀罩圆孔与气道孔正对,确保较好的流通效果。实际上,如果压阀罩上没有定位结构的话很难做到2个中心线重合。因此,应考虑研究合理的气阀腔结构,使得压阀罩在各种安装状态下都能保证较好的气体流通效果。

  4、气阀腔尺寸对流场的影响

  气阀腔设计时,阀腔高度是根据气道直径,缸体壁厚,气阀厚度等尺寸计算得出的,调整气阀腔通流面积时通常不会改变气阀腔高度,而是改变气阀腔直径。气阀腔通流面积是指压阀罩外圆与气阀腔内径之间的截面,如图15中所示的阴影面积。

  气阀腔通流面积可以通过改变气阀腔直径来进行调整,将它与气道通流面积的比值定义为通流面积比δ。

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  其中,公式中各尺寸含义如图15所示,D0为气道直径。

  按理论来讲,气流通过气阀腔通流面积进入到远离气道孔的压阀罩圆孔内,气阀腔通流面积通过了约一半的气体流量。为保证气阀腔内流速均匀,阻力损失小,气阀腔通流面积应该至少为气道通流面积的一半。这一结论可以通过有限元分析的方法进一步研究。

  通过上面分析可知,压阀罩处于圆孔中心线与气道中心线夹角为22.5°,这一状态时,气流最大速度介于其它两种状态之间,气阀偏吹现象比较严重。为了使压阀罩无论处于怎样的安装状态,都能保证气阀腔内有较低的流速和较轻的气阀偏吹现象。因此,选择中心线夹角为22.5°这一不理想的流场状态,对气阀腔结构进行研究。气阀腔结构中其它尺寸不变,阀腔直径依次取220、230、240、250、260、270、280(mm),分别进行流场分析,并记录流场状态的关键参数,见表3。

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  根据表3中的流场参数,绘制最大流速随通流面积比δ变化的曲线,如图16所示。绘制出口流速不均匀度随通流面积比δ变化的曲线,如图17所示。

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  通过最大流速曲线可以看出,随着气阀腔直径的增大,腔内的最大流速见小。当通流面积比δ<60%时,最大流速随δ变化比较明显。当δ<30%时,最大流速已经达到30m/s以上,局部会产生较大的压力损失。通流面积比δ>60%时,最大流速随δ变化较缓慢,说明增加气阀腔尺寸不会明显减小气阀腔内最大流速。这时再想通过加大气阀腔尺寸来减小最大流速,会增加缸体尺寸,很不经济。

  通过出口流速不均匀度曲线可以看出,随着通流面积比δ增大,不均匀度N值减小。说明在确定的压阀罩安装状态下,增大气阀腔直径可以缓解气阀偏吹现象。同样,一味为了减轻气阀偏吹而加大气阀腔也是不合理的。

  总结上面的理论分析和有限元计算结果,使气阀腔通流面积约是气道通流面积的60%,气阀腔内的气体流通效果较好。此时,气阀腔尺寸适当,腔内的最大流速较低,气阀偏吹现象较轻,是最为合理的设计方案。

  5、结论

  (1)应用CFX软件可以对气阀腔内的流场进行分析,并且得出腔内气体的三维流线图,等速云图,流速云图等;
  (2)在气缸设计以及装配时,使压阀罩圆孔与气道孔正对,可以确保气阀腔有较好的流通效果;
  (3)使气阀腔通流面积约是气道通流面积的60%,气阀腔内的气体流通效果较好,是最为合理的设计方案;
  (4)对于铸件气缸,同样可以应用本文研究所得出的结论。

  参考文献
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